Selezione dell'acciaio inossidabile per impianti chimici: guida ai materiali per la manutenzione di acidi, alcali e solventi

Scegliere un metallo per un impianto chimico è una scommessa sui prossimi vent'anni. Lo stesso grado che dura decenni in un acido può deteriorarsi in mesi in un altro, e poche parti per milione di impurità possono cambiare la risposta. Questa guida fornisce un chiaro punto di partenza per la selezione dell'acciaio inossidabile e delle leghe di nichel in servizio con acidi, alcali e solventi. Spiega le regole alla base delle scelte, confronta i voti principali e segnala le condizioni in cui le scelte comuni falliscono. È scritto per ingegneri, acquirenti e studenti e costituisce una guida allo screening: la selezione finale deve essere sempre confermata rispetto ai dati sulla corrosione per il flusso di processo reale.

Non esiste il miglior acciaio inossidabile per gli impianti chimici; il materiale giusto dipende dalla sostanza chimica, dalla sua concentrazione, dalla temperatura e dalle impurità. Come punto di partenza:304L per acido nitrico; 316L per acido solforico, fosforico e acetico moderato e per la maggior parte dei solventi e sostanze caustiche fredde;904LOLega 20per un servizio più ampio di acido solforico; nichel 200/201 per sostanze caustiche calde e forti; e leghe di nichel-molibdeno comeC-276(o sistemi non metallici e rivestiti) per acido cloridrico, dove gli acciai inossidabili standard non sono adatti. Cloruri, fluoruri, temperatura e stress sono ciò che più spesso infrange le regole.

Come dovresti scegliere un acciaio inossidabile per il servizio di impianti chimici?

Conclusione: iniziare con la sostanza chimica e le sue condizioni, non con il grado. Definisci la sostanza chimica, la concentrazione, l'intervallo di temperatura, le impurità (in particolare cloruri, fluoruri e ossidanti), lo stress e il flusso, quindi scegli il materiale più economico che rimane al di sotto del limite di corrosione con margine.

L'acciaio inossidabile resiste alla corrosione perché il cromo forma sulla superficie una sottile pellicola di ossido invisibile. Gli acidi e gli alcali si comportano diversamente nei confronti di quella pellicola. Gli acidi ossidanti come l'acido nitrico lo rafforzano. Gli acidi riducenti come l'acido solforico e quello cloridrico lo attaccano, quindi aiutano il molibdeno e il rame, che migliorano la resistenza agli acidi riducenti. I cloruri rompono la pellicola localmente e causano vaiolatura, corrosione interstiziale e tensocorrosione (SCC). Un voto eccellente in un ambiente può essere scarso in un altro.

Gli ingegneri confrontano i materiali utilizzando curve di isocorrosione, che tracciano la concentrazione e la temperatura alla quale un metallo perde uno spessore fisso ogni anno. La linea più comune è 0,1 millimetri all'anno (circa 4 mil all'anno), solitamente considerata come il confine tra accettabile e inaccettabile per il servizio continuo. I dati sono riportati anche in fasce inferiori a 0,1, inferiori a 0,5 e superiori a 0,5 mm all'anno.

Tabella 1. Bande comuni di velocità di corrosione utilizzate nella selezione dei materiali. Conversione: 1 mil all'anno=0.0254 mm all'anno. I tassi complessivi non tengono conto della vaiolatura, della corrosione interstiziale o delle fessurazioni, che possono verificarsi anche quando il tasso medio è basso.

Quali gradi vengono utilizzati negli impianti chimici e come si confrontano?

Salire la scala solo nella misura in cui il servizio lo richiede: 304L e 316L coprono molti compiti; I gradi 904L, Alloy 20 e duplex gestiscono acidi e cloruri più tenaci; e le leghe di nichel prendono il sopravvento dove finisce l’acciaio inossidabile.

Un numero di screening utile per la resistenza alla vaiolatura del cloruro è il numero equivalente della resistenza alla vaiolatura: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. Un numero più alto significa una migliore resistenza alla vaiolatura. PREN prevede solo la vaiolatura del cloruro. Non prevede la corrosione acida, la tensocorrosione o il comportamento alle alte temperature, quindi deve essere combinato con dati specifici dell'acido.

Tabella 2. Confronto tra le leghe comuni degli impianti chimici. I valori PREN sono intervalli tipici calcolati dalle tabelle pubblicate; i valori effettivi dipendono dalla chimica del certificato di macinazione. Le composizioni sono approssimative.

Quale materiale dovresti utilizzare per il servizio di acido solforico?

Utilizzare 316L solo per acido solforico diluito e freddo; utilizzare 904L o Alloy 20 per intervalli di concentrazione più ampi; e passare alle leghe di nichel-molibdeno o ad altri materiali speciali per acidi caldi o contaminati. 304 è limitato ad acidi molto diluiti a temperatura ambiente.

L'acido solforico è un acido riducente a concentrazioni basse e moderate, quindi gli acciai inossidabili senza molibdeno e rame hanno prestazioni scarse. Dai diagrammi di isocorrosione a 0,1 mm all'anno, il 304 è limitato all'acido diluito di circa il 5% a temperatura ambiente, mentre il 316 può essere utilizzato fino a circa il 22% a 20 gradi. Il grado 904L è stato sviluppato specificatamente per l'acido solforico e può essere utilizzato in tutto l'intervallo di concentrazioni a temperature fino a circa 35 gradi; il suo contenuto extra di molibdeno e rame estende la resistenza in condizioni riducenti. Il rame è particolarmente utile a concentrazioni intermedie. Anche la lega 20 è stata progettata per il servizio con acido solforico.

Valgono due avvertimenti. La contaminazione da cloruro riduce drasticamente la resistenza: i diagrammi pubblicati mostrano un calo drammatico quando vengono aggiunti circa 200 mg/l di cloruro. E l'acido caldo molto forte superiore a circa il 90% si comporta diversamente e può essere aggressivo se impuro, quindi l'acido solforico concentrato viene selezionato su base separata (ad esempio, gli acciai inossidabili contenenti silicio, che riducono anche la sensibilità alla velocità). Controllare sempre la concentrazione e la temperatura rispetto alla tabella di isocorrosione per il grado specifico.

Quale materiale dovresti utilizzare per il servizio dell'acido nitrico?

Utilizzare 304L. L'acido nitrico è ossidante, quindi il cromo aiuta e il molibdeno no; Il 316L non è particolarmente utile e il duplex 2205 non offre alcun vantaggio rispetto al 304L nell'acido nitrico puro.

Il tipo 304L è ampiamente utilizzato per la manipolazione e lo stoccaggio di acido nitrico fino a una concentrazione di circa il 60% e fino al punto di ebollizione atmosferica. Nell'ebollizione dell'acido nitrico al 65%, il 316L ha mostrato un tasso di corrosione di circa 0,25 mm all'anno, paragonabile al 304 a circa 0,23 mm all'anno, quindi il molibdeno non apporta alcun beneficio.

Concentrazioni più elevate o condizioni eccezionalmente ossidanti richiedono altri materiali, come gli acciai inossidabili contenenti silicio o il tantalio. Gli acidi misti sono un caso speciale. L'acido nitrico con acido fluoridrico è estremamente aggressivo: in un set di dati, 304 L in acido nitrico al 10% con HF al 3% a 70 gradi corrosi a circa 157 mm all'anno. Non applicare mai i dati relativi al solo nitrico agli acidi misti.

Quale materiale dovresti usare per l'acido cloridrico e fluoridrico?

Gli acciai inossidabili standard (304, 316) non sono adatti per l'acido cloridrico a qualsiasi concentrazione o temperatura. Utilizzare leghe di nichel-molibdeno come C-276, tantalio, zirconio o sistemi rivestiti o non metallici. Per l'acido fluoridrico, Monel 400 è la classica scelta metallica in servizio deaerato.

L'acido cloridrico distrugge il film passivo dei comuni acciai inossidabili austenitici. Una maggiore quantità di nichel e molibdeno migliora la resistenza solo all'acido diluito e possono ancora verificarsi vaiolatura, attacchi locali e tensocorrosione. Gli acciai inossidabili duplex non offrono una resistenza utile all'acido cloridrico. Anche la lega 20, con rame, non è consigliata. I dati dei fornitori illustrano il divario: nell’ebollizione dell’1% di acido cloridrico, il 904L si corrompeva a circa 0,55 mm all’anno contro più di 5 mm all’anno per il 316, e al di sopra di circa il 2% di acido nessun acciaio inossidabile è una risposta sicura. In pratica, il servizio dell'acido cloridrico richiede C-276 o leghe simili, o materiali non metallici.

Per l'acido fluoridrico, Monel 400 resiste essenzialmente a tutte le concentrazioni in servizio liquido deaerato fino all'ebollizione, con velocità di corrosione intorno a 0,03–0,04 mm all'anno vicino alla temperatura ambiente. L'aerazione e le temperature superiori a circa 90-120 gradi aumentano notevolmente la velocità e la tensocorrosione è possibile nel vapore umido e aerato. Questi limiti sono trattati in dettaglio nel nostro articolo correlato su Monel 400 in acido fluoridrico.

Quale materiale dovresti usare per l'acido fosforico, acetico e formico?

Il 316L è la scelta standard per l'acido fosforico e acetico nella maggior parte delle condizioni; passare alle leghe 904L o superiori per l'acido fosforico impuro (processo a umido); e fare attenzione con l'acido formico, che è più aggressivo.

I gradi 316 e 317 contenenti molibdeno funzionano bene in acido fosforico bollente al 20%, con tassi di corrosione pubblicati di circa 0,015-0,027 mm all'anno. Le impurità cambiano questo: l'acido fosforico di tipo fertilizzante (processo a umido) contiene fluoruro e cloruro, che aumentano la corrosività, quindi sono spesso necessari gradi di lega più elevata.

Per l'acido acetico, il 304 ha un'ottima resistenza a temperature moderate, mentre il 316 e il 317 sono preferiti per condizioni più ampie; in acido acetico bollente al 20%, 316 ha mostrato velocità di circa 0,003 mm all'anno. L'acido formico è un forte agente riducente e attacca l'acciaio inossidabile più facilmente: nell'acido formico al 45%, le leghe di classe 316 si corrono a circa 0,5-0,6 mm all'anno nello stesso set di dati, un valore troppo elevato per un servizio a lungo termine.

Quale materiale dovresti usare per la soda caustica e altri alcali?

304 e 316 sono adatti per la soda caustica a temperature moderate, ma la fessurazione per corrosione da stress caustico (CSCC) diventa un rischio serio con l'aumento della temperatura, a circa 50-95 gradi a seconda della concentrazione, dello stress e delle impurità. Per sostanze caustiche calde e forti, utilizzare nichel 200/201 o leghe ad alto contenuto di nichel.

Gli acciai inossidabili resistono bene alla corrosione generale da parte dell'idrossido di sodio. I tipi 304 e 316 sono generalmente considerati resistenti al di sotto di circa 80 gradi fino al limite di solubilità e alcune linee guida ne estendono l'uso fino a circa 95 gradi se le sollecitazioni sono controllate. Il pericolo è la rottura: in ambienti caustici caldi e concentrati, lo stress di trazione (incluso lo stress residuo di saldatura) può rompere l'acciaio inossidabile austenitico e alcuni riferimenti collocano l'inizio vicino a 50–60 gradi. Le impurità contano: il solfuro nella sostanza caustica può abbassare la temperatura di cracking fino a circa 50 gradi. Poiché i limiti pubblicati variano, progettare in modo conservativo e allentare le sollecitazioni laddove specificato.

Il contenuto di nichel è la chiave della resistenza. Le leghe di nichel commercialmente pure 200 e 201 sono le più resistenti e sono ampiamente utilizzate nelle sostanze caustiche calde e concentrate. Le leghe 20, 800 e 825 resistono meglio alla corrosione caustica e alle fessurazioni rispetto alla serie 300. Anche le leghe inossidabili al 6% di molibdeno si comportano bene: AL-6XN ha mostrato tassi solo leggermente superiori a quelli del nichel 200 in soluzioni simulate di evaporatore caustico al 43% fino a 190 gradi, senza che siano state osservate fessurazioni da stress. La lega 600 può rompersi in condizioni severe, come la caustica al 50% sopra i 300 gradi circa. È interessante notare che i cloruri non sembrano aggravare la fessurazione caustica.

Tabella 3. Selezione indicativa del materiale per la soda caustica. I limiti di temperatura pubblicati variano a seconda delle fonti, quindi confermali rispetto ai dati attuali e alle specifiche del progetto.

In che modo i solventi influiscono sulla scelta dell'acciaio inossidabile?

La maggior parte dei solventi organici, come alcoli, chetoni, esteri e idrocarburi, non sono corrosivi nei confronti del 304 o del 316 da soli. I problemi derivano dai contaminanti: l'acqua più solventi clorurati possono formare acido cloridrico, i cloruri possono causare vaiolature e fessurazioni per tensocorrosione e gli acidi organici possono corrodere alcuni gradi.

I composti organici generalmente causano pochi problemi di corrosione per gli acciai inossidabili. I rischi derivano da ciò che viene fornito con il solvente. I solventi clorurati come cloruro di metilene, tricloroetilene e percloroetilene possono decomporsi lentamente, soprattutto con umidità, calore o contatto con metalli, formando acido cloridrico, motivo per cui i produttori aggiungono stabilizzanti e perché le linee guida per la conservazione richiedono di tenere lontana l'umidità e di montare essiccatori sugli sfiati del serbatoio. Nelle linee guida del settore per questi solventi, l'acciaio al carbonio è generalmente soddisfacente e l'acciaio inossidabile viene utilizzato in casi speciali in cui è richiesta un'elevata qualità. Quando viene utilizzato, la selezione dovrebbe presupporre che si possa sviluppare una condizione umida e acida.

Anche i cloruri presenti nei liquidi organici polari possono attaccare l'acciaio inossidabile. Il lavoro di laboratorio ha mostrato la vaiolatura del 316L in soluzioni metanoliche contenenti alogenuri organici e in etanolo contenente cloruro, e la rottura per tensocorrosione del 304 e 316 in soluzioni organiche polari contenenti cloruro. Questo è il motivo per cui il 316L è solitamente preferito al 304 per i sistemi solventi che possono assorbire cloruri.

Tabella 4. Guida alla manutenzione dei solventi. Verificare sempre con il fornitore del solvente e il profilo effettivo delle impurità.

Perché cloruri, temperatura e stress cambiano la risposta?

Perché innescano modalità di guasto che i tassi di corrosione generali non prevedono: vaiolatura e corrosione interstiziale da cloruri, tensocorrosione da stress di trazione più un ambiente aggressivo e sensibilizzazione dovuta al calore di saldatura.

Tabella 5. Modalità di guasto comuni oltre alla corrosione generale nell'acciaio inossidabile degli impianti chimici.

Come guida approssimativa ricavata dai dati dei fornitori, si ritiene che il 304 resista alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale in acque con un massimo di circa 100 ppm di cloruro, da 316 a circa 2.000 ppm e da 317L a circa 5.000 ppm. Queste sono regole pratiche e la temperatura, le fessure e l'acidità possono abbassarle drasticamente.

In che modo la fabbricazione e la pulizia influiscono sulle prestazioni nei servizi chimici?

Un buon materiale può ancora fallire se la fabbricazione è scadente. Utilizzare gradi a basso tenore di carbonio per le apparecchiature saldate, evitare la contaminazione dell'acciaio al carbonio, decapare e passivare dopo la saldatura e ridurre lo stress laddove vi sia il rischio di fessurazioni caustiche o da cloruro.

Il calore della saldatura rimuove la pellicola protettiva e può sensibilizzare i gradi ad alto contenuto di carbonio, pertanto i gradi "L" a basso contenuto di carbonio sono standard per le apparecchiature chimiche saldate. Dopo la fabbricazione, la pulizia, la decalcificazione e la passivazione seguono ASTM A380 e A967. Il ferro raccolto da utensili o rastrelliere in acciaio al carbonio può arrugginirsi e iniziare a vaiolarsi. Anche i test di pressione sono importanti: i sistemi in acciaio inossidabile vengono generalmente testati con acqua a basso contenuto di cloruro, comunemente limitato a 50 ppm o meno, quindi drenati e asciugati tempestivamente per evitare vaiolatura e tensocorrosione da cloruro. Questi punti di fabbricazione e test si applicano a tutti i servizi acidi, alcalini e solventi sopra indicati.

Come puoi utilizzare questa guida per effettuare una selezione?

Rispondi a cinque domande in ordine: cos'è la sostanza chimica ed è ossidante o riducente, quali sono gli intervalli di concentrazione e temperatura, quali impurità sono presenti, quali tensioni e fessure esistono e qual è la durata richiesta e la tolleranza alla corrosione. Poi verifica con test dati o tagliandi.

Tgrado 6. Punti di partenza per la selezione rapida. Queste sono raccomandazioni di screening, non garanzie; confermare con dati e test di isocorrosione.

Quando si chiede un preventivo a un fornitore, fornire la sostanza chimica e l'intervallo di concentrazione, le temperature normali e alterate, le impurità (cloruri, fluoruri, solfuri, ossidanti), le condizioni di pressione e stress, la durata richiesta e le procedure di pulizia o sterilizzazione. Ciò consente al fornitore di consigliare la qualità, la forma del prodotto e il trattamento termico corretti e di fornire rapporti di test certificati sullo stabilimento e un'identificazione positiva del materiale per la tracciabilità.

Domande frequenti

Non esiste un unico grado. 316L migliore adatto all'acido freddo e diluito (circa il 22% a 20 gradi secondo i dati di isocorrosione), il 904L può essere utilizzato a tutte le concentrazioni fino a circa 35 gradi e la lega 20 è stata progettata per il servizio con acido solforico. I cloruri e le alte temperature richiedono leghe più elevate.

È possibile utilizzare l'acciaio inossidabile con l'acido cloridrico?

I gradi standard 304 e 316 non sono resistenti all'acido cloridrico a qualsiasi concentrazione o temperatura. Utilizzare leghe di nichel-molibdeno come C-276, tantalio, zirconio o sistemi non metallici e rivestiti.

316L è migliore di 304L per l'acido nitrico?

No. L'acido nitrico è ossidante, quindi il cromo aiuta e il molibdeno no. 304L è ampiamente utilizzato fino a una concentrazione di circa il 60% e al punto di ebollizione atmosferico.

A quale temperatura la soda caustica rompe l'acciaio inossidabile?

Le fonti differiscono, da circa 50–60 gradi fino a circa 93 gradi, a seconda della concentrazione, dello stress e delle impurità come il solfuro, che può abbassare la temperatura di cracking a circa 50 gradi. La sostanza caustica calda e forte viene gestita meglio con il nichel 200/201.

I solventi organici sono corrosivi per l'acciaio inossidabile?

Generalmente non da soli. I problemi derivano dall'acqua, dai cloruri o dall'idrolisi dei solventi clorurati, che possono formare acido cloridrico. Mantenere i solventi asciutti e stabilizzati e preferire il 316L dove possono essere presenti cloruri.

Cosa ti dice PREN?

Il PREN classifica la resistenza alla vaiolatura del cloruro utilizzando cromo, molibdeno e azoto. Non prevede la corrosione acida o la tensocorrosione.