Milyen ötvözetek vegyi feldolgozó berendezésekhez?

A vegyi feldolgozó berendezésekhez nem megfelelő ötvözet kiválasztása katasztrofális meghibásodáshoz, költséges állásidőhöz és komoly biztonsági kockázatokhoz vezethet. Ez az útmutató egy kritikus mérnöki kérdésre ad választ: mely ötvözetek a legalkalmasabbak vegyi feldolgozó berendezésekhez?

Tíz széles körben használt ötvözetet - rozsdamentes acélminőségekre, nikkel-alapú ötvözeteket és titánt - értékelünk a korrózióállóság, a mechanikai teljesítmény, az alkalmazási környezet és a költségek szempontjából. Az objektív adattáblázatok mindvégig rendelkezésre állnak, hogy támogassák a tájékozott-döntéshozatalt.

Miért fontos az ötvözetek kiválasztása a vegyi feldolgozásban?

A vegyi feldolgozóüzemek a Föld legagresszívebb anyagait, - tömény savakat, maró lúgokat, oxidáló gázokat és halogenidben-dús sóoldatokat kezelnek. Az olyan berendezéseknek, mint a reaktorok, hőcserélők, tárolótartályok, csövek, szelepek és oszlopok, 15–30 éves folyamatos üzemelésig ellenállniuk kell a korróziónak.

A rossz ötvözetválasztás okai:

Egyenletes korrózió - az érfalak általános elvékonyodása

Pittingkorrózió - lokális behatolás klorid-gazdag médiában

Feszültségkorróziós repedés (SCC) - hirtelen rideg meghibásodás húzófeszültség alatt + korrozív környezet

A réskorrózió - támadása szűk helyeken, például a karimák felületén és a tömítések alatt

Galvanikus korrózió -, amikor különböző fémek érintkeznek elektromosan egy elektrolitban

A NACE International (jelenleg AMPP) szerint a korrózió évente 170 milliárd dollárba kerül a globális vegyiparnak és petrolkémiai iparnak. Az anyagválasztás a leghatékonyabb módja a költségek csökkentésének.

Kulcsötvözet kiválasztási kritériumok

Amikor ötvözetet adnak meg a vegyi szolgáltatáshoz, a mérnökök a következő tényezőket értékelik:

Korrózióállóság

Az ötvözetnek ellenállnia kell az adott korrozív közegnek, elfogadhatatlan anyagveszteség nélkül a berendezés tervezett élettartama alatt. A vonatkozó mérőszámok a következők:

Korróziós sebesség (mm/év vagy mil/év, mpy)

Pitting ellenállás ekvivalens száma (PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N) - magasabb PREN jobb klorid-pontképződéssel szembeni ellenállást jelez

Kritikus pitting hőmérséklet (CPT) és kritikus réshőmérséklet (CCT)

Mechanikai tulajdonságok

A berendezésnek meg kell felelnie a nyomás{0}}kódkövetelményeknek (ASME, EN 13480, PED). A kritikus mechanikai adatok a következők: végső szakítószilárdság (UTS), folyáshatár, nyúlás és keménység.

Hőmérséklet tartomány

A magasabb hőmérséklet felgyorsítja a korróziót és csökkenti a megengedett feszültségeket. Sok ötvözet maximális üzemi hőmérséklete vegyi közegben a metallurgiai határértéke alatt van.

Kidolgozhatóság

Az ötvözeteknek hegeszthetőnek, megmunkálhatónak és nyomástartó edény geometriájúnak kell lenniük. Különösen a nikkelötvözetek igényelnek speciális hegesztési eljárásokat (ASME IX. fejezet).

Teljes tulajdonlási költség (TCO)

Az anyagköltség csak egy elem. A TCO magában foglalja a telepítést, ellenőrzést, karbantartást éselkerülték a leállási költségeket. A Hastelloy C-276 reaktortartály 4-szer többe kerülhet, mint a 316 literes SS, de 5-ször tovább bírja sósavas üzemben, így kiváló TCO-t biztosít.

Gyors{0}}Referenciaötvözet-összehasonlítás

Az 1. táblázat a vegyi feldolgozó berendezésekhez általánosan használt tíz ötvözet gyors áttekintését-adja. A részletes adatokat lásd az alábbi 2–4. táblázatban.

1. táblázat|Alloy Quick-Reference Guide - Chemical Processing Equipment. A korróziós alkalmassági minősítések általános iránymutatást jelentenek; mindig ellenőrizze korróziós kuponteszttel vagy közzétett izokorróziós táblázatokkal az adott közegekre, koncentrációkra és hőmérsékletekre vonatkozóan.

Rozsdamentes acélötvözetek vegyi feldolgozáshoz

A rozsdamentes acél vas{0}}krómötvözetek, amelyek legalább 10,5% krómot tartalmaznak. A króm reakcióba lép az oxigénnel, és passzív króm-oxid (Cr₂O3) filmet képez, amely ön-meggyógyul, ha megsérül. Molibdént, nikkelt és nitrogént adnak hozzá a korrózióállóság fokozására.

304 és 304L rozsdamentes acél (UNS S30400 / S30403)

■ Általános-célú munkaló

304-es típusa világon a legszélesebb körben gyártott rozsdamentes acél. 18% Cr és 8% Ni tartalommal jól teljesít enyhén korrozív vizes környezetben, élelmiszer-minőségű szolgáltatásban, gyógyszergyártásban és légköri expozícióban. Az L változat (304L) korlátozott széntartalmú (kevesebb, mint 0,03%), hogy minimálisra csökkentse az érzékenységet a hegesztés során, és megakadályozza a szemcseközi korróziót.

A 304 azonban nem alkalmas nyomokban nagyobb koncentrációjú kloridot{1}} tartalmazó közegekhez, sem pedig jelentős koncentrációjú sósavhoz vagy kénsavhoz. Ez egy gyakori specifikációs hiba azoknál a növényeknél, amelyek később gyors gödrösödést vagy SCC-t tapasztalnak.

316 és 316L rozsdamentes acél (UNS S31600 / S31603)

■ A legszélesebb körben használt minőség a vegyiparban

2–3% molibdén hozzáadása a 316-hoz jelentősen javítja a klorid-pontképződéssel szembeni ellenállást a 304-hez képest, és jobb teljesítményt biztosít híg kénsav, foszforsav és ecetsav környezetben. A hozzávetőlegesen 24 fős PREN a vegyipari szolgáltatások igáslovasává teszi.

A 316L SS a gyógyszeripari reaktorok, az ecetsavas technológiai csővezetékek, a tengervíz{1}}hűtéses hőcserélők és a híg savtárolók szabványa. Nem alkalmas sósav szolgáltatásra semmilyen jelentős koncentrációban.

317L rozsdamentes acél (UNS S31703)

■ Magasabb molibdén a jobb klorid-ellenállás érdekében

A 317L 3–4% molibdént és több nikkelt tartalmaz, mint a 316L, ami a PREN-értéket 30 fölé emeli. Gyakran a fehérítőüzemekben, a cellulóz- és papíripari berendezésekben, valamint a hígított klorid-szolgáltatásban 316 literről való frissítésként írják elő.. 317L szerényen jobb korrózióállóságot kínál szerény költségprémiummal 316 liter felett.

904L rozsdamentes acél (UNS N08904)

■ Nagy{0}}teljesítményű ausztenites kénsavhoz

A 904L egy erősen-ötvözött ausztenites rozsdamentes acél, amely 4–5% molibdént, 23–28% nikkelt és körülbelül 1,5% rezet tartalmaz. Kifejezetten kénsav-szolgáltatáshoz fejlesztették ki, és környezeti hőmérsékleten, széles koncentrációtartományban kiváló ellenállást biztosít a H₂SO₂-nal szemben. A ~37-es PREN-értéke ugyanabba a kategóriába tartozik, mint a 6%-os Mo-szuper{11}}ausztenites minőség.

A 904L költséghatékony-kénsavcsövek, hőcserélők és tárolótartályok esetében, ahol az Alloy 20 vagy a Hastelloy minősége meghaladja a-meghatározást.

Nikkelötvözetek vegyi feldolgozáshoz

A nikkel{0}}alapú ötvözetek kiváló korrózióállóságot biztosítanak a rozsdamentes acélokhoz képest, különösen olyan erősen agresszív környezetben, mint például tömény savak, redukáló közegek és magas hőmérsékletű vegyszerek. Jelentős költségfelárral járnak, - jellemzően a 316 literes SS árának 4–8-szorosa -, de gyakran ez az egyetlen műszakilag megvalósítható lehetőség.

20. ötvözet (UNS N08020) - "Carpenter 20"

■ A kénsav specialista

20. ötvözetkifejezetten kénsav szolgáltatásra lett tervezve. Összetétele - 20% Cr, 29% Ni, 2,5% Mo, 3,5% Cu, kiegyensúlyozott vasban - kivételes ellenállást biztosít a H2SO₄-nal szemben gyakorlatilag minden koncentrációban, környezeti és mérsékelt hőmérsékleten. A réz hozzáadása kritikus fontosságú a kénsav környezet redukálására szolgáló teljesítménye szempontjából.

A 20-as ötvözetet széles körben használják kénsavas pácoló berendezésekben, vegyszertároló tartályokban, foszforsavas folyamatrendszerekben és robbanóanyag-gyártásban. Gazdaságos hidat jelent a rozsdamentes acél és a drágább nikkelötvözetek között.

Hastelloy C-276 (UNS N10276)

■ A súlyos korróziós szolgáltatások iparági referenciaértéke

Hastelloy C276az egyik legkorrózióállóbb-ötvözet a vegyi üzemek építéséhez. Magas molibdén (15-17%) és volfrám (3-4,5%) tartalma kiemelkedően ellenáll a lyukkorróziónak, a réskorróziónak és a feszültségkorróziós repedéseknek a vegyszerek figyelemreméltóan széles körében.

A C-276 a füstgáz-kéntelenítő (FGD) gázmosók, sósav-feldolgozó berendezések, nedves klórozó rendszerek, hulladéksav-kezelés és gyógyszerszintézis-tartályok elsődleges ötvözete. Körülbelül 70-es PREN értéke a kereskedelmi forgalomban kapható ötvözetek közül a legmagasabbak közé tartozik.

Hastelloy C-22 (UNS N06022)

■ Kiváló vegyes oxidáló/redukáló környezetben

A C-22-ben magasabb a króm (22%) és a molibdénben, mint a C-276-ban. Ez a készítmény előnyt biztosít a C-22-nek a C-276-tal szemben az oxidáló környezetben és a vegyes savszolgáltatásban (pl. HNO₃ + HCl keverékek, krómsav). A C-22-t gyakran előnyben részesítik a gyógyszerészeti API-szintézisben és a környezetmérnöki alkalmazásokban, ahol változó, vegyes kémiai feltételekkel találkozunk.

Inconel 625 (UNS N06625)

■ Magas{0}}hőmérséklet- és fáradtságállóság

Inconel 625erejét a nióbium és a molibdén kombinált szilárd -oldatban történő erősítése nikkel-krómmátrixban nyeri. Ellenáll a ciklikus termikus kifáradásnak, kiváló kriogén szívóssággal rendelkezik, és megőrzi szilárdságát körülbelül 815 fokos hőmérsékleten.

A vegyi feldolgozásban a 625 agresszív környezetben használt hőcserélő csövekhez, tengeri és tengeri technológiai berendezésekhez, vegyi injektáló csövekhez és tengervíz{1}}hűtéses kondenzátorokhoz van előírva. A ~51-es PREN-értéke rendkívül ellenállóvá teszi a tengervízben és halogéntartalmú-folyamatokban keletkező kátyúsodásnak.

Monel 400 (UNS N04400)

■ A hidrogén-fluorsav szolgáltatás választása

Monel 400egy nikkel{0}}rézötvözet (67% Ni, 23–28% Cu), amely a tulajdonságok egyedülálló kombinációjával rendelkezik: kiváló ellenállás a hidrogén-fluoriddal szemben gyakorlatilag minden koncentrációban, ellenáll a tengervíznek és sóoldatnak, valamint jó mechanikai tulajdonságok széles hőmérsékleti tartományban.

A Monel 400 azelőnyös ötvözet a hidrogén-fluorsav alkilező egységekheza kőolaj-finomítás, a HF-sav tároló és kezelő berendezések, a tengeri hardver és az ivóvíz szolgáltatás területén. Soha nem szabad oxidáló savak, például salétromsav jelenlétében használni.

Titán vegyi feldolgozó berendezésekhez

A kereskedelemben kapható tiszta titán (1. és 2. fokozat) és titánötvözetek rendkívül stabil, öngyógyuló TiO₂ passzív filmet alkotnak, amely kiemelkedő korrózióállóságot biztosít oxidáló környezetben. A 12-es fokozat (Ti-0,3Mo-0,8Ni) ezt az ellenállást enyhén csökkentő körülményekre is kiterjeszti.

A titán legfontosabb előnye a vegyipari szolgáltatásokban a nedves klórral, hipoklorittal, klórozott sóoldattal és salétromsavval szembeni kiváló ellenállása. Alacsony sűrűsége (4,5 g/cm³) megközelítőleg fele a nikkelötvözetekének, így súlymegtakarítást tesz lehetővé nagy nyomástartó edényekben. A titánt azonban megtámadják a hidrogén-fluorid, az erősen redukáló savak és a vízmentes körülmények, ezért speciális kezelést igényel a hegesztés során.

Mechanikai tulajdonságok összehasonlítása

Minden vegyi feldolgozó berendezést a nyomástartó edényekre vonatkozó előírásoknak megfelelően kell megtervezni. A 2. táblázat tartalmazza az ASTM szabványok szerinti minimális mechanikai tulajdonságokat szobahőmérsékleten. A tervezési megengedett feszültségeket az ASME BPVC II.-D. szakaszától vagy azzal egyenértékűtől kell beszerezni.

2. táblázat|Tipikus minimális mechanikai tulajdonságok szobahőmérsékleten (a vonatkozó ASTM szabványok szerint: A240, A276, B574, B575, B443, B127, B265). A tényleges értékek a termék formájától és a hőkezeléstől függően változhatnak. Erősítse meg anyagvizsgálati jelentésekkel (MTR).

Kémiai környezet kiválasztási útmutató

A 3. táblázat az általános technológiai vegyszereket a legmegfelelőbb ötvözetválasztásra térképezi, és megjelöli az egyes környezetekre vonatkozó kritikus figyelmeztetéseket. Ez a táblázat átvilágítási eszköznek készült; Az izokorróziós táblázatok és a szállítói adatok segítségével végzett részletes korrózióértékelés elengedhetetlen a végleges specifikáció előtt.

3. táblázat|Ötvözetválasztás kémiai környezet alapján. Az adatok a NACE International, az ASM Handbook Vol{2}} és az ötvözetszállítói szakirodalom közzétett korróziós adatain alapulnak. A hőmérséklet, a koncentráció és a szennyeződések szintje jelentősen befolyásolja az ötvözet teljesítményét - mindig végezzen helyspecifikus vizsgálatokat.

Pitting-ellenállás egyenértékszámok (PREN)

A PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) egy számított index, amelyet az ötvözet klorid{0}}kiváltotta lyukkorrózióval szembeni elméleti ellenállásának rangsorolására használnak. A képlet a következő:

PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

A magasabb PREN nagyobb ellenállást jelez a pittinggel szemben. A PREN > 40-es ötvözetek a „szuperötvözetek” besorolása a lyukállóság szempontjából. A PREN önmagában nem jósolja meg a korrózió minden formájával szembeni ellenállást - a réskorrózió, az SCC és az egyenletes korrózió külön értékelést igényel.

4. táblázat|Pitting rezisztencia egyenértékszámok (PREN) a vegyi feldolgozó berendezésekben általánosan használt ötvözetek számára. A PREN értékeket a névleges összetételekből számítják ki; a tényleges értékek hőkémiai összetételtől függően változnak. A PREN nem jósol SCC-t, egyenletes korróziót vagy ellenállást redukáló környezetben.

Gyártási és hegesztési szempontok

Az anyagválasztás nem ér véget az ötvözet specifikációjával. Az ötvözet berendezéssé való gyártása kritikusan befolyásolja-a szolgáltatás korróziós teljesítményét.

Rozsdamentes acél gyártás

Használjon alacsony-széntartalmú (L) vagy stabilizált minőségeket (321, 347), hogy minimálisra csökkentse az érzékenység kockázatát a hegesztés során

Ausztenites SS-hez ritkán van szükség utó-hegesztési hőkezelésre (PWHT), de vastag szakaszok esetén javasolt az oldatos izzítás

Kerülje el a vasszennyeződést - speciális szerszámok, kefék és csiszolókorongok szükségesek

Az ASTM A380 / A967 szerinti passziválást a gyártás után kell elvégezni

Nikkelötvözet gyártása

A nikkelötvözetek -gyorsan megkeményednek - éles szerszámokat, alacsonyabb sebességet és nagyobb előtolást használnak, mint a rozsdamentes acélnál

A hegesztéshez illeszkedő vagy túlillesztett töltőfémeket kell használni (pl. ERNiCrMo-4 a C-276-hoz)

Gondosan szabályozza a hőbevitelt, hogy minimálisra csökkentse a hő{0}}érzékelődést (HAZ).

Előmelegítés általában nem szükséges; Az utólagos-hegesztési megoldás javítja a korrózióállóságot a kritikus szolgáltatásban

Titán gyártás

Csak inert atmoszférában hegeszthet (argon vagy hélium öblítés) - az oxigén- és nitrogénszennyeződés ridegséget okoz

A 480 fok feletti forró-alakításhoz inert atmoszféra szükséges az oxidáció elkerülése érdekében ("tűzkő")

A titán kompatibilis a legtöbb rozsdamentes acél és nikkelötvözet töltőanyaggal burkolt alkalmazásokban

Vonatkozó szabványok és előírások

Az ezeket az ötvözeteket használó berendezéseknek meg kell felelniük az elismert kódoknak és szabványoknak. A leggyakrabban hivatkozottak a következők:

Anyagszabványok (ASTM)

A240 / A240M - Rozsdamentes acél lemez nyomástartó edényekhez

A276 / A276M - Rozsdamentes acél rúd és formák

B574 / B575 - Hastelloy C-276 és C-22 lemez, lap, szalag

B443 / B444 - Inconel 625 lemez és cső

B127 / B163 - Monel 400 lemez és cső

B265 - Titán szalag, lemez és lemez

Tervezési kódok

ASME BPVC VIII. szakasz (Div{0}} & 2) - Nem égetett nyomástartó edények (USA)

HU 13445 - Nem égetett nyomástartó edények (Európa)

NACE MR0103 / ISO 17945 - Kőolaj-finomítás során a szulfidos feszültségkorróziós repedésnek ellenálló anyagok

NACE SP{0}} Külső korrózió elleni védekezés a földalatti csővezetékeken

Gyakran Ismételt Kérdések

K: Mi a legjobb ötvözet a kénsav berendezésekhez?

For sulfuric acid across all concentrations, Alloy 20 is the most cost-effective choice. For hot, concentrated H₂SO₄ (>60%, > 60 fok), a Hastelloy C-276 vagy C-22 kiváló teljesítményt nyújt. 904Az L SS környezeti hőmérsékleten hatékony a hígított H₂SO₄ esetében.

K: Használhatok 316 literes rozsdamentes acélt sósavhoz?

Nem{0}}A rozsdamentes acél semmilyen jelentős koncentrációban nem ellenáll a sósavnak (HCl). A HCl gyors lyukkorróziót, réskorróziót és SCC-t okoz az ausztenites rozsdamentes acélokban. A Hastelloy C-276 a HCl szolgáltatás ipari szabványa.

K: Mi az a PREN, és miért számít?

A PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) egy számított index, amely az ötvözet króm-, molibdén- és nitrogéntartalma alapján rangsorolja az ötvözet klorid-pontosodási ellenállását. Magasabb PREN=jobb ütésállóság. Ez egy szűrőeszköz -, amely nem helyettesíti a tényleges korrózióvizsgálatot.

K: A titán vagy a Hastelloy C-276 jobb a klórszolgáltatáshoz?

Mindkét ötvözet kiválóan alkalmas a klórozásra, de más-más feltételeknek megfelelnek. A Titanium Grade 2 előnyös nedves klórhoz és klórozott vízhez ~315 fokig. A Hastelloy C-276 előnyös a vegyes sav/klór környezetekben, ahol redukáló körülmények is jelen lehetnek.

K: Hogyan ellenőrizhetem az ötvözet minőségét vásárláskor?

Mindig kérjen anyagvizsgálati jelentést (MTR / malom tanúsítvány) az EN 10204 3.1 vagy 3.2 típusa szerint. A kritikus szolgáltatáshoz XRF vagy OES analizátorok segítségével egészítse ki a PMI-t (pozitív anyagazonosító), és ellenőrizze az ASTM/ASME anyagtanúsítványt.

Következtetés

A megfelelő ötvözet kiválasztása a vegyi feldolgozó berendezésekhez kritikus mérnöki döntés, amely közvetlen hatással van az üzem biztonságára, megbízhatóságára és a teljes birtoklási költségre. Az ebben az útmutatóban ismertetett tíz ötvözet - a költséghatékony 304L-es rozsdamentes acéltól a nagy-teljesítményű Hastelloy C-ig-276 - lefedi a modern feldolgozó üzemekben előforduló vegyipari szolgáltatási környezetek túlnyomó részét.

A kulcsfontosságú döntési tényezők egyértelműek: ismerje meg részletesen a kémiai környezetet (koncentráció, hőmérséklet, szennyeződések, pH), alkalmazza az 1–4. táblázatban szereplő adatokat szűrőeszközként, majd érvényesítse izokorróziós diagramokkal, NACE-kiadványokkal, és ahol lehetséges, kuponteszttel a tényleges folyamatfolyamban.

Ha kétségei vannak, forduljon szakképzett anyagmérnökhöz vagy az ötvözetszállító műszaki csapatához. A megfelelő anyagspecifikáció költsége kis töredéke a berendezés meghibásodásának költségeinek.