Mitkä metalliseokset kemiallisten prosessien laitteisiin?

Väärän metalliseoksen valinta kemiallisiin prosessointilaitteisiin voi johtaa katastrofaalisiin vaurioihin, kalliisiin seisokkeihin ja vakaviin turvallisuusriskeihin. Tämä opas vastaa kriittiseen tekniseen kysymykseen: mitkä seokset soveltuvat parhaiten kemiallisiin prosessointilaitteisiin?

Arvioimme kymmenen laajalti käytettyä metalliseosta -, jotka kattavat ruostumattoman teräksen laatuja, nikkeli-pohjaisia ​​seoksia ja titaania - korroosionkestävyyden, mekaanisen suorituskyvyn, käyttöympäristöjen ja kustannusten suhteen. Kaikkialla on objektiivisia tietotaulukoita, jotka tukevat tietoisen päätöksentekoa-.

Miksi seosten valinnalla on merkitystä kemiallisessa käsittelyssä

Kemialliset jalostuslaitokset käsittelevät joitain maan aggressiivisimpia aineita - väkeviä happoja, emäksisiä, hapettavia kaasuja ja halogenidi-rikkaita suolaliuoksia. Laitteiden, kuten reaktorien, lämmönvaihtimien, varastosäiliöiden, putkien, venttiilien ja pylväiden on kestettävä korroosiota 15–30 vuoden jatkuvan käytön ajan.

Huono metalliseosvalinta aiheuttaa:

Tasainen korroosio - verisuonten seinämien yleinen oheneminen

Pistekorroosio - paikallinen tunkeutuminen kloridi-rikkaaseen mediaan

Jännityskorroosiohalkeilu (SCC) - äkillinen hauras vika vetojännityksen alaisena + syövyttävä ympäristö

Rakokorroosio - ahtaissa tiloissa, kuten laippojen pinnat ja tiivisteiden alla

Galvaaninen korroosio -, kun erilaiset metallit ovat sähköisessä kosketuksessa elektrolyytissä

NACE Internationalin (nykyisin AMPP) mukaan korroosio maksaa maailmanlaajuiselle kemian- ja petrokemianteollisuudelle arviolta 170 miljardia dollaria vuodessa. Materiaalien valinta on tehokkain tapa vähentää näitä kustannuksia.

Avainseoksen valintakriteerit

Määritellessään metalliseosta kemian huoltoon insinöörit arvioivat seuraavat tekijät:

Korroosionkestävyys

Seoksen on kestettävä tiettyjä syövyttäviä aineita ilman kohtuuttomia materiaalihäviöitä laitteen suunnitellun käyttöiän aikana. Asiaankuuluvia mittareita ovat:

Korroosionopeus (mm/vuosi tai mil/vuosi, mpy)

Pitting Resistance Equivalent Number (PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N) - suurempi PREN tarkoittaa parempaa kloridin pistesyöpymiskestävyyttä

Kriittinen pistelämpötila (CPT) ja kriittinen rakolämpötila (CCT)

Mekaaniset ominaisuudet

Laitteiden on täytettävä paine{0}}koodivaatimukset (ASME, EN 13480, PED). Kriittisiä mekaanisia tietoja ovat: murtovetolujuus (UTS), myötöraja, venymä ja kovuus.

Lämpötila-alue

Korkeammat lämpötilat kiihdyttävät korroosiota ja vähentävät sallittuja jännityksiä. Monilla metalliseoksilla on maksimikäyttölämpötila kemiallisissa väliaineissa metallurgisten rajojen alapuolella.

Muokattavuus

Seosten on oltava hitsattavia, koneistettavia ja muovattavissa paineastioiden geometriaksi. Erityisesti nikkeliseokset vaativat erikoishitsausmenetelmiä (ASME:n osa IX).

Kokonaisomistuskustannukset (TCO)

Materiaalikustannukset ovat vain yksi elementti. TCO sisältää asennuksen, tarkastuksen, huollon javältyttiin seisokkikustannuksilta. Hastelloy C-276 -reaktoriastia voi maksaa 4 kertaa enemmän kuin 316 litraa SS:tä, mutta kestää 5 kertaa pidempään kloorivetyhappopalvelussa, mikä tarjoaa erinomaisen TCO:n.

Pika-seosten vertailu

Taulukko 1 tarjoaa nopean-skannauksen yleiskatsauksen kymmenestä seoksesta, jotka yleensä määritetään kemiankäsittelylaitteisiin. Katso tarkemmat tiedot alla olevista taulukoista 2–4.

Taulukko 1|Alloy Quick-Reference Guide - Chemical Processing Equipment. Korroosion soveltuvuusluokitukset ovat yleisohjeita; varmista aina korroosiotesteillä tai julkaistuilla isokorroosiokaavioilla tietyille väliaineille, pitoisuuksille ja lämpötiloille.

Ruostumattoman teräksen seokset kemialliseen käsittelyyn

Ruostumattomat teräkset ovat rauta{0}}kromiseoksia, jotka sisältävät vähintään 10,5 % kromia. Kromi reagoi hapen kanssa muodostaen passiivisen kromioksidikalvon (Cr₂O3), joka -parantuu itsestään vaurioituessaan. Molybdeenia, nikkeliä ja typpeä lisätään parantamaan korroosionkestävyyttä.

304 ja 304L ruostumaton teräs (UNS S30400 / S30403)

■ Yleiskäyttöinen-työhevonen

Tyyppi 304on maailmanlaajuisesti eniten valmistettu ruostumaton teräs. 18 % Cr:n ja 8 % Ni:n ansiosta se toimii hyvin lievästi syövyttävissä vesiympäristöissä, elintarvikelaatuisissa palveluissa, lääkkeiden valmistuksessa ja ilmakehässä. L-versiossa (304L) on rajoitettu hiilipitoisuus (vähemmän tai yhtä suuri kuin 0,03 %), mikä minimoi herkistymisen hitsauksen aikana ja estää rakeiden välisen korroosion.

304 ei kuitenkaan sovellu kloridi-pitoisuuksia ylittäville väliaineille, eikä kloorivety- tai rikkihapoille merkityksellisillä pitoisuuksilla. Tämä on yleinen määrittelyvirhe kasveissa, jotka kokevat myöhemmin nopean pistesyöpymisen tai SCC:n.

316 ja 316L ruostumaton teräs (UNS S31600 / S31603)

■ Yleisimmin käytetty laatu kemianteollisuudessa

2–3 % molybdeenin lisääminen 316:een parantaa merkittävästi kloridin pistesyöpymiskestävyyttä verrattuna 304:ään ja tarjoaa paremman suorituskyvyn laimeassa rikki-, fosfori- ja etikkahappoympäristössä. Noin 24 henkilön PREN tekee siitä kemianhuoltoalan työhevosen.

316L SS on farmaseuttisten reaktorien, etikkahappoprosessiputkistojen, merivesijäähdytteisten lämmönvaihtimien{1}}ja laimennetun hapon varastointistandardi. Se ei sovellu suolahappohuoltoon millään mielekkäällä pitoisuudella.

317L ruostumaton teräs (UNS S31703)

■ Korkeampi molybdeeni parantaa kloridinkestävyyttä

317L sisältää 3–4 % molybdeeniä ja enemmän nikkeliä kuin 316L, mikä nostaa PREN-arvon yli 30. Se on usein määritelty päivitykseksi 316 litrasta valkaisulaitoksissa, sellu- ja paperilaitteissa sekä laimeakloridipalvelussa. 317L tarjoaa maltillisesti paremman korroosionkestävyyden kohtuullisilla kustannuksilla yli 316 litrassa.

904L ruostumaton teräs (UNS N08904)

■ Tehokas austeniitti{0}} rikkihapolle

904L on korkea-seostettu austeniittista ruostumatonta terästä, jossa on 4–5 % molybdeeniä, 23–28 % nikkeliä ja noin 1,5 % kuparia. Se on kehitetty erityisesti rikkihappohuoltoa varten, ja se kestää erinomaisen H2SO4:n laajalla pitoisuusalueella ympäristön lämpötilassa. Sen PREN-arvo on ~37, joten se on samassa sarjassa 6 % Mo-super{11}}austeniittisten laatujen kanssa.

904L on kustannustehokas-rikkihappoputkistossa, lämmönvaihtimissa ja varastosäiliöissä, joissa Alloy 20- tai Hastelloy-laadut ylittävät-määrittelyn.

Nikkeliseokset kemialliseen käsittelyyn

Nikkeli{0}}pohjaiset seokset tarjoavat ruostumattomiin teräksiin verrattuna erinomaisen korroosionkestävyyden erityisesti erittäin aggressiivisissa ympäristöissä, kuten väkevöidyissä hapoissa, pelkistävissä aineissa ja korkeissa{1}}lämpötiloissa. Niiden hinta on huomattava - tyypillisesti 4–8 kertaa 316 litran SS:n hinta -, mutta ne ovat usein ainoa teknisesti kannattava vaihtoehto.

Alloy 20 (UNS N08020) - "Carpenter 20"

■ Rikkihappoasiantuntija

Seos 20on suunniteltu erityisesti rikkihappohuoltoa varten. Sen koostumus - 20% Cr, 29% Ni, 2,5% Mo, 3,5% Cu, tasapainotettu raudassa - tarjoaa poikkeuksellisen kestävyyden H₂SO₄:lle käytännöllisesti katsoen kaikissa pitoisuuksissa ympäristön tai kohtalaisissa lämpötiloissa. Kuparin lisäys on kriittinen sen suorituskyvyn kannalta rikkihappoympäristöjen vähentämisessä.

Seosta 20 käytetään laajalti rikkihapon peittauslaitteissa, kemikaalien varastosäiliöissä, fosforihappoprosessijärjestelmissä ja räjähteiden valmistuksessa. Se on taloudellinen silta ruostumattoman teräksen ja kalliimpien nikkeliseosten välillä.

Hastelloy C-276 (UNS N10276)

■ Teollisuuden vertailukohta vakavalle korroosiolle

Hastelloy C276on yksi korroosionkestävimmistä-seoksista, joita on saatavilla kemiantehtaiden rakentamiseen. Sen korkea molybdeeni (15–17 %) ja volframi (3–4,5 %) tarjoavat erinomaisen kestävyyden pistesyöpymistä, rakokorroosiota ja jännityskorroosiohalkeilua vastaan ​​erittäin laajalla valikoimalla kemikaaleja.

C-276 on ensisijainen seos savukaasujen rikinpoistoon (FGD), kloorivetyhappoprosessilaitteistoon, märkäkloorausjärjestelmiin, jätehapon käsittelyyn ja farmaseuttisiin synteesiastioihin. Sen noin 70 PREN on yksi kaupallisista seoksista korkeimpien joukossa.

Hastelloy C-22 (UNS N06022)

■ Ylivoimainen sekalaisissa hapettavissa/pelkistävissä ympäristöissä

C-22:ssa on enemmän kromia (22 %) ja hieman vähemmän molybdeeniä kuin C-276:ssa. Tämä koostumus antaa C-22:lle edun C-276:een verrattuna hapettavissa ympäristöissä ja happoseospalveluissa (esim. HNO3 + HCl-seokset, kromihappo). C-22 on usein edullinen farmaseuttisissa API-synteesissä ja ympäristötekniikan sovelluksissa, joissa kohdataan vaihtelevia sekakemiallisia olosuhteita.

Inconel 625 (UNS N06625)

■ Korkea{0}}lämpötila- ja väsymiskestävyys

Inconel 625saa vahvuutensa niobiumin ja molybdeenin yhdistetystä kiinteän -liuosvahvistuksesta nikkeli-kromimatriisissa. Se kestää syklistä lämpöväsymistä, sillä on erinomainen kryogeeninen sitkeys ja se säilyttää lujuuden noin 815 asteen lämpötiloissa.

Kemiallisessa käsittelyssä 625 on määritelty lämmönvaihdinputkille aggressiivisissa ympäristöissä, offshore- ja merenkulun prosessilaitteille, kemikaalien ruiskutusletkuille ja merivesijäähdytteisille lauhduttimille. Sen PREN-arvo on ~51, mikä tekee siitä erittäin kestävän meriveden ja halogenideja sisältävien prosessivirtojen pistesyöpymistä{4}}.

Monel 400 (UNS N04400)

■ Valinta fluorivetyhappopalvelulle

Monel 400on nikkeli-kupariseos (67 % Ni, 23–28 % Cu), jolla on ainutlaatuinen yhdistelmä ominaisuuksia: erinomainen fluorivetyhapon kestävyys käytännössä kaikissa pitoisuuksissa, meriveden ja suolaveden kestävyys sekä hyvät mekaaniset ominaisuudet laajalla lämpötila-alueella.

Monel 400 onedullinen lejeerinki fluorivetyhapon alkylointiyksiköilleöljynjalostuksessa, HF-hapon varastointi- ja käsittelylaitteissa, laivalaitteistoissa ja juomavesipalveluissa. Sitä ei saa koskaan käyttää hapettavien happojen, kuten typpihapon, läsnä ollessa.

Titaani kemianteollisuuden laitteisiin

Kaupallisesti puhdas titaani (luokat 1 ja 2) ja titaaniseokset muodostavat erittäin vakaan, itsestään paranevan TiO₂-passiivikalvon, joka tarjoaa erinomaisen korroosionkestävyyden hapettavissa ympäristöissä. Grade 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) laajentaa tämän vastuksen lievästi vähentäviin olosuhteisiin.

Titaanin tärkeimmät edut kemianpalveluissa ovat sen erinomainen kestävyys märkää klooria, hypokloriittia, kloorattuja suolaliuoksia ja typpihappoa vastaan. Sen alhainen tiheys (4,5 g/cm³) on noin puolet nikkeliseosten tiheydestä, mikä mahdollistaa painonsäästön suurissa paineastioissa. Titaaniin kuitenkin hyökkäävät fluorivetyhappo, voimakkaasti pelkistävät hapot ja vedettömät olosuhteet, ja se vaatii erityiskäsittelyä hitsauksen aikana.

Mekaanisten ominaisuuksien vertailu

Kaikki kemialliset käsittelylaitteet on suunniteltava sovellettavien paineastioiden määräysten mukaisesti. Taulukko 2 esittää ASTM-standardien mukaiset mekaaniset vähimmäisominaisuudet huoneenlämpötilassa. Suunnittelun sallitut jännitykset on hankittava ASME BPVC:n osastosta II-D tai vastaavasta.

Taulukko 2|Tyypilliset vähimmäismekaaniset ominaisuudet huoneenlämpötilassa (asianmukaisten ASTM-standardien mukaisesti: A240, A276, B574, B575, B443, B127, B265). Todelliset arvot voivat vaihdella tuotteen muodon ja lämpökäsittelyn mukaan. Vahvista materiaalitestiraporteilla (MTR).

Kemiallisen ympäristön valintaopas

Taulukossa 3 on kartoitettu yleisimmät prosessikemikaalit sopivimpiin seosvalintoihin ja merkitään kriittiset varoitukset kullekin ympäristölle. Tämä taulukko on tarkoitettu seulontatyökaluksi; yksityiskohtainen korroosioarviointi isokorroosiokaavioiden ja toimittajatietojen avulla on välttämätöntä ennen lopullista määritystä.

Taulukko 3|Seoksen valinta kemiallisen ympäristön mukaan. Tiedot perustuvat julkaistuihin korroosiotietoihin NACE International, ASM Handbook Vol{2}} ja seosten toimittajan teknisestä kirjallisuudesta. Lämpötila, pitoisuus ja epäpuhtaudet vaikuttavat merkittävästi metalliseoksen suorituskykyyn - suorita aina paikkakohtainen-testaus.

Pitting Resistance Equivalent Numbers (PREN)

PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) on laskettu indeksi, jota käytetään lejeeringin teoreettisen kestävyyden määrittämiseen kloridin{0}}aiheuttamaa pistekorroosiota vastaan. Kaava on:

PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

Korkeampi PREN tarkoittaa parempaa vastustuskykyä pistesyöksylle. Seokset, joiden PREN > 40 luokitellaan "superseoksiksi" pistesuojauksen vuoksi. Pelkästään PREN ei ennusta kaikkien korroosion kestävyyttä - rakokorroosio, SCC ja tasainen korroosio vaativat erillisen arvioinnin.

Taulukko 4|PREN-numerot (PREN) kemiankäsittelylaitteissa yleisesti käytettäville metalliseoksille. PREN-arvot lasketaan nimelliskoostumuksista; todelliset arvot vaihtelevat lämpökemian mukaan. PREN ei ennusta SCC:tä, tasaista korroosiota tai kestävyyttä pelkistävissä ympäristöissä.

Valmistus- ja hitsausnäkökohdat

Materiaalin valinta ei pääty metalliseoserittelyyn. Se, miten seoksesta valmistetaan laitteita, vaikuttaa kriittisesti-korroosion suorituskykyyn käytön aikana.

Ruostumattoman teräksen valmistus

Käytä vähähiilisiä (L) tai stabiloituja laatuja (321, 347) minimoidaksesi herkistymisriskin hitsauksen aikana

Jälki-hitsin lämpökäsittelyä (PWHT) tarvitaan harvoin austeniittiselle SS:lle, mutta liuoshehkutusta suositellaan paksuille osille

Vältä raudan kontaminaatiota - tarvitaan erityisiä työkaluja, harjoja ja hiomalaikkoja

Passivointi ASTM A380 / A967 mukaan tulee suorittaa valmistuksen jälkeen

Nikkeliseoksen valmistus

Nikkeliseokset toimivat-kovettuvat nopeasti - käyttävät teräviä työkaluja, alhaisempia nopeuksia ja suurempia syöttöjä kuin ruostumaton teräs

Hitsauksessa on käytettävä yhteensopivia tai päällekkäisiä lisäainemetalleja (esim. ERNiCrMo-4 C-276:lle)

Säädä lämmöntuottoa huolellisesti minimoiksesi lämpö{0}}vaikutusalueen (HAZ) herkistymisen

Esilämmitystä ei yleensä vaadita; jälki{0}}hitsausliuoksen hehkutus parantaa korroosionkestävyyttä kriittisissä palveluissa

Titaanin valmistus

Hitsaa vain inertissä ilmakehässä (argon- tai heliumpuhdistus) - happi- ja typpikontaminaatio aiheuttaa haurastumista

Kuuma-muovaus yli 480 astetta vaatii inertin ilmakehän hapettumisen estämiseksi ("palokivi")

Titaani on yhteensopiva useimpien ruostumattoman teräksen ja nikkeliseosten täyteainemetallien kanssa päällystetyissä sovelluksissa

Asiaankuuluvat standardit ja tekniset tiedot

Näitä metalliseoksia käyttävien laitteiden on oltava tunnustettujen koodien ja standardien mukaisia. Yleisimmin viitattuja ovat:

Materiaalistandardit (ASTM)

A240 / A240M - Ruostumaton teräslevy paineastioihin

A276 / A276M - Ruostumaton terästanko ja muodot

B574 / B575 - Hastelloy C-276 ja C-22 levy, levy, nauha

B443 / B444 - Inconel 625 -levy ja -putki

B127 / B163 - Monel 400 -levy ja -putki

B265 - Titaaninauha, -levy ja -levy

Suunnittelukoodit

ASME BPVC Section VIII (Div{0}} & 2) - Polttamattomat paineastiat (USA)

FI 13445 - Polttamattomat paineastiat (Eurooppa)

NACE MR0103 / ISO 17945 - Materiaalit, jotka kestävät sulfidijännityskorroosiohalkeilua öljynjalostuksessa

NACE SP0169 - Ulkoisen korroosion torjunta maanalaisissa putkissa

Usein kysytyt kysymykset

K: Mikä on paras seos rikkihappolaitteille?

For sulfuric acid across all concentrations, Alloy 20 is the most cost-effective choice. For hot, concentrated H₂SO₄ (>60 %, > 60 astetta), Hastelloy C-276 tai C-22 tarjoaa erinomaisen suorituskyvyn. 904L SS on tehokas laimealle H₂SO₂:lle ympäristön lämpötilassa.

K: Voinko käyttää 316L ruostumatonta terästä suolahapolle?

Ei{0}}L ruostumaton teräs ei kestä suolahappoa (HCl) millään merkityksellisellä pitoisuudella. HCl aiheuttaa nopeaa pistesyöpymistä, rakokorroosiota ja SCC:tä austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä. Hastelloy C-276 on HCl-palvelun alan standardi.

K: Mikä on PREN ja miksi sillä on merkitystä?

PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) on laskettu indeksi, joka luokittelee seoksen kloridipistelujuutta sen kromi-, molybdeeni- ja typpipitoisuuden perusteella. Korkeampi PREN=parempi pistesyöpymisvastus. Se on seulontatyökalu -, joka ei korvaa todellista korroosiotestausta.

K: Onko titaani tai Hastelloy C-276 parempi kloorihuoltoon?

Molemmat seokset soveltuvat erinomaisesti kloorin käyttöön, mutta ne sopivat erilaisiin olosuhteisiin. Titanium Grade 2 on parempi märille kloorille ja klooratulle vedelle ~315 asteeseen asti. Hastelloy C-276 on edullinen happo/kloori-sekoitusympäristöissä, joissa voi olla pelkistäviä olosuhteita.

K: Kuinka voin tarkistaa metalliseoksen laadun ostaessani?

Vaadi aina materiaalitestiraportti (MTR / Mill Certificate) standardin EN 10204 tyypin 3.1 tai 3.2 mukaan. Kriittistä palvelua varten täydennä PMI (Positive Material Identification) XRF- tai OES-analysaattoreilla ja varmista ASTM/ASME-materiaalisertifikaatti.

Johtopäätös

Oikean lejeeringin valinta kemiallisia prosessointilaitteita varten on kriittinen suunnittelupäätös, jolla on suoria vaikutuksia laitoksen turvallisuuteen, luotettavuuteen ja kokonaiskustannuksiin. Tässä oppaassa esitellyt kymmenen metalliseosta - kustannustehokkaasta 304L ruostumattomasta teräksestä -suorituskykyiseen Hastelloy C-276 - -tekniikkaan kattavat suurimman osan nykyaikaisissa prosessilaitoksissa esiintyvistä kemikaalien palveluympäristöistä.

Tärkeimmät päätöksentekotekijät ovat selvät: ymmärrä kemiallinen ympäristösi yksityiskohtaisesti (pitoisuus, lämpötila, epäpuhtaudet, pH), käytä taulukoiden 1–4 tietoja seulontatyökaluna ja validoi sitten isokorroosiokaavioilla, NACE-julkaisuilla ja mahdollisuuksien mukaan kuponkitestauksella varsinaisessa prosessivirrassa.

Jos olet epävarma, ota yhteyttä pätevään materiaaliinsinööriin tai metalliseostoimittajasi tekniseen tiimiin. Asianmukaisten materiaalispesifikaatioiden hinta on pieni murto-osa laitevian kustannuksista.