Hastelloy G-30 negli evaporatori di acido fosforico: dati sulle prestazioni del tubo dello scambiatore di calore

Perché Hastelloy G-30 è specificato per i tubi evaporatori dell'acido fosforico?

La chimica dei G-30 - ad alto contenuto di cromo con un contenuto moderato di molibdeno e un'aggiunta di rame - è stata deliberatamente progettata per gestire la combinazione specifica di contaminanti presenti nell'acido fosforico con processo a umido e Haynes International nomina i tubi dell'evaporatore P2O5 come una delle due applicazioni principali della lega.

Fonte: scheda tecnica sulla composizione nominale di Haynes International, lega HASTELLOY G-30.

L'alto contenuto di cromo conferisce a G-30 una forte resistenza al carattere ossidante dell'acido di processo-umido e alle miscele di acido nitrico e-di acido nitrico, mentre le aggiunte di molibdeno e rame gli conferiscono una moderata resistenza agli acidi riducenti come cloridrico e solforico - entrambi presenti come impurità nell'acido fosforico commerciale. Haynes International rileva inoltre che il G-30 è meno suscettibile alla tensocorrosione indotta da cloruri rispetto agli acciai inossidabili austenitici che comunemente sostituisce in questo servizio, il che è importante direttamente per i fasci tubieri che subiscono ripetuti cicli termici durante l'avvio e lo spegnimento dell'evaporatore.

Cosa rende l'acido fosforico di processo- umido così corrosivo per i tubi dell'evaporatore?

L'acido fosforico- da processo umido è corrosivo principalmente a causa di ciò che è disciolto in esso, non dell'acido fosforico stesso: l'acido solforico non reagito, gli ioni metallici, gli ioni fluoruro, gli ioni cloruro e le particelle sospese come la silice viaggiano insieme al P2O5 e, di questi, gli ioni cloruro sono il motore dominante dell'attacco elettrochimico che determina la durata del tubo.

L'acido fosforico con "processo- umido" viene prodotto facendo reagire la roccia fosfatica con l'acido solforico e, una volta prodotto, contiene solo circa il 30% di P2O5 a causa del grande volume di acqua di risciacquo necessaria per separarlo dal sottoprodotto solfato di calcio. Gli ioni fluoruro tendono a formare complessi stabili con gli ioni metallici in soluzione e sono quindi meno aggressivi nei confronti dei materiali dei tubi rispetto agli ioni cloruro, che influenzano fortemente le reazioni elettrochimiche tra l'acido e la superficie metallica. Questo è il motivo per cui la scelta della lega per i tubi dell'evaporatore è determinata più dalla resistenza alla corrosione da cloruri-vaiolatura e interstiziale-che dalla sola forza nominale dell'acido fosforico dell'acido.

Durante il processo di evaporazione, la concentrazione di P2O5 viene generalmente aumentata da circa il 30% fino a circa il 54% attraverso una serie di stadi dell'evaporatore. Una concentrazione più elevata da sola suggerirebbe una maggiore corrosività, ma Haynes International nota che questo effetto è in parte compensato perché i livelli di impurità - compresi i cloruri che contano di più - tendono a diminuire man mano che l'acido diventa più concentrato.

Come si comporta G-30 nell'acido di processo-vero umido, non solo nell'acido di grado reagente?

Haynes International supporta i dati di laboratorio relativi al grado di reagente-con test-rappresentativi sul campo condotti su acido di processo-umido reale fornito da un produttore di fosfato della Florida a tre concentrazioni di produzione reali (36%, 48% e 54% P2O5) e 121 gradi (250 gradi F), confrontando direttamente G-30 con gli acciai inossidabili della concorrenza in condizioni molto più vicine a un evaporatore in funzione rispetto a un test in bicchiere di grado reagente.

Questa distinzione è importante per chiunque specifichi il materiale del tubo da una scheda tecnica: le tabelle di corrosione del grado dei reagenti- (utilizzate in questo articolo per la loro precisione e ripetibilità) isolano solo l'effetto della concentrazione e della temperatura dell'acido, mentre l'acido reale del processo-umido aggiunge il carico di fluoruro, cloruro, solfato e particolato discusso sopra. La decisione di Haynes International di eseguire un confronto dedicato degli acidi reali-a concentrazioni rilevanti per la produzione-è un significativo esempio di due diligence, ed è il motivo per cui G-30 vanta un track record autentico e convalidato sul campo in questa applicazione piuttosto che un track record puramente teorico.

I dati indipendenti sul campo e sull'impianto pilota-riportati nei brevetti sul processo dell'acido fosforico-aggiungono un ulteriore,{2}}punto dati a lungo termine per la più ampia famiglia di leghe Hastelloy G: nelle prove di digestione con roccia fosfatica, una girante in lega Hastelloy G ha registrato un tasso di corrosione di 6,67 mil all'anno contro gli 8,35 mil all'anno della lega 625 in una serie di condizioni del digestore e 11,71 mpy contro 15,77 miglia nautiche per 625 in condizioni di potenziale di-ossidazione-più elevato. Queste cifre descrivono la lega generale della famiglia G- piuttosto che la lega G-30 in modo specifico, ma corroborano la stessa conclusione direzionale mostrata dai dati di Haynes: le leghe di nichel-ferro della famiglia G-cromo-ferro resistono bene contro 625 in ambienti di produzione di acido fosforico reali, non solo in laboratorio.

Come cambia il tasso di corrosione del G-30 quando la concentrazione di acido aumenta durante l'evaporazione?

La velocità di corrosione di G-30 nell'acido fosforico bollente aumenta costantemente dalla concentrazione del 50% all'85%, ma rimane bassa e gestibile (0,01-0,84 mm/anno) nell'intero intervallo osservato da un treno di evaporatori, compreso il punto finale di P2O5 di circa il 54% tipico della concentrazione commerciale del processo a umido.

Fonte: tabella di corrosione dell'acido fosforico di grado -del reagente Haynes International, scheda tecnica della lega HASTELLOY G-30.

Poiché la maggior parte dei processi commerciali a umido- mira a una concentrazione finale intorno al 54% di P2O5, i progettisti di tubi possono aspettarsi che il tasso di corrosione del grado dei reagenti G-30- si collochi nell'intervallo di 0,1-0,2 mm/anno a quell'endpoint - ben entro un margine di corrosione confortevole per una vita di progettazione di tubi pluridecennale, prima di tenere conto dell'ulteriore rischio di corrosione localizzata derivante dai cloruri discusso di seguito.

Come si confronta G-30 con 316L, 254SMO e Alloy 625 negli acidi rilevanti per l'evaporatore?

I grafici comparativi di Haynes International collocano G-30 davanti all'acciaio inossidabile 316L e 254SMO sia nell'acido cloridrico che in quello solforico, e davanti alla lega 625 in particolare nell'acido cloridrico, ma Haynes afferma direttamente che la linea di 0,1 mm/a del G-30 si trova leggermente più in alto di 625 nell'acido solforico, il che significa che 625 detiene un piccolo vantaggio laddove la contaminazione da acido solforico è la preoccupazione dominante.

Questo è un dato utile e onesto per prendere decisioni sulle specifiche: G-30 non è universalmente in vantaggio rispetto a qualsiasi lega concorrente in ogni acido che un evaporatore potrebbe vedere. Laddove l'impurità dominante è l'acido solforico trasportato dalla fase di digestione della roccia-, la lega 625 (o il cromo HASTELLOY G-35 di livello superiore-, trattato in un articolo associato in questa serie) può offrire un piccolo margine aggiuntivo. Laddove l'acido è più vicino alla chimica pura del processo a umido con il suo caratteristico carico di cloruro, l'equilibrio di cromo, molibdeno e rame del G-30 gli conferisce un reale vantaggio rispetto sia agli acciai inossidabili che al 625 nello specifico nell'acido cloridrico.

Qual è la resistenza di G-30 alla vaiolatura dei depositi insufficienti e alla corrosione interstiziale?

Nei due test accelerati standard utilizzati per simulare le condizioni di cloruro-sporco - Morte verde e Morte gialla - G-30 mostra innanzitutto vaiolatura a 55 gradi e attacco interstiziale a 45 gradi (Morte verde) o 25 gradi (Morte gialla), che è esattamente la modalità di guasto a cui i fasci tubieri dell'evaporatore sono maggiormente esposti poiché incrostazioni e solidi si accumulano sulla superficie del tubo.

Fonte: dati Haynes International sulla vaiolatura e sulla corrosione interstiziale (test di 24 ore), scheda tecnica della lega HASTELLOY G-30.

Questo è il singolo set di dati più rilevante dal punto di vista operativo in questo articolo. La resistenza agli acidi sfusi, come mostrato nelle tabelle di concentrazione sopra, descrive cosa succede a una superficie pulita del tubo esposta uniformemente al flusso di acido. I veri tubi dell'evaporatore accumulano incrostazioni, depositi di solfato di calcio e zone stagnanti sui deflettori e sulle piastre di supporto - condizioni che concentrano i cloruri localmente e possono innescare vaiolature o attacchi interstiziali ben al di sotto della temperatura operativa nominale dell'acido sfuso. La soglia di corrosione interstiziale di G-30 di 25-45 gradi rappresenta un margine significativo e quantificato al di sopra delle temperature operative tipiche dell'evaporatore per molti progetti, ma sottolinea anche perché la pulizia meccanica periodica e l'ispezione sotto i depositi rimangono una pratica standard indipendentemente dalla selezione della lega.

G-30 è resistente alla fessurazione da corrosione da stress da cloruro nel servizio dell'evaporatore?

Sì - nel test standard del cloruro di magnesio bollente al 45% (ASTM G36),G-30ha resistito alla fessurazione per 168 ore, circa sette volte più a lungo del 254SMO e 84 volte più a lungo del 316L, e ha sovraperformato due leghe di nichel di confronto ("28" e "31") testate insieme ad esso.

Fonte: dati Haynes International sulle fessurazioni da stress-corrosione (ebollizione 45% MgCl2, ASTM G36), scheda tecnica della lega HASTELLOY G-30.

La resistenza dell'SCC è importante per i fasci tubieri dell'evaporatore perché combinano due dei tre ingredienti L'SCC richiede - un materiale sensibile sottoposto a stress da trazione (da cicli termici, rotolamento nella piastra tubiera o stress residuo di saldatura) esposto a un ambiente contenente cloruro-. La soglia di circa 168 ore di G-30 in un test molto più severo delle condizioni di servizio tipiche offre ai progettisti di tubi un margine di sicurezza sostanziale e quantificato rispetto agli acciai inossidabili più spesso considerati alternative a basso costo.

In che modo la saldatura influisce sulla resistenza alla corrosione del tubo-della giunzione e del tubo-alla-piastra tubiera?

I tassi di corrosione di tutti i metalli di saldatura degli anni G-30- rimangono vicini a quelli del metallo di base lavorato nella maggior parte delle condizioni di acido solforico e cloridrico rilevanti per il servizio dell'evaporatore, con l'eccezione dell'acido solforico al 90%, dove sia il metallo di saldatura che il metallo di base lavorato mostrano un aumento netto e uniforme - il che significa che l'aumento riflette un limite chimico reale piuttosto che una debolezza specifica della saldatura.

Fonte: Haynes International dati sulla corrosione di tutti i metalli-saldati- (multi-passaggio GMAW cruciforme) e sulla corrosione dei metalli di base lavorati-, scheda tecnica della lega HASTELLOY G-30.

Per i fasci tubieri dell'evaporatore fabbricati da tubi saldati (ASTM B619/B626) o che richiedono saldature da tubo-a-piastra tubiera, questi dati supportano la specifica di G-30 senza un declassamento generale per le zone di saldatura nella maggior parte delle condizioni acide per le quali è destinata la lega. Il risultato di acido solforico al 90% ricorda che il G-30, come il G-35, non è la scelta giusta se il carryover di acido solforico di una pianta raggiunge regolarmente quella concentrazione sulla parete del tubo, una condizione in cui 625 o un tubo G-35 con cromo superiore rappresenterebbero la specifica più conservativa.

In che modo la conduttività termica del G-30 influisce sulla progettazione del tubo dello scambiatore di calore?

La conduttività termica di G-30 (circa 10 W/m· gradi a temperatura ambiente, che sale a circa 19-21 W/m· gradi a 400-600 gradi) è ben inferiore a quella delle leghe di rame e persino dell'acciaio al carbonio, quindi l'area di trasferimento del calore e lo spessore delle pareti del tubo devono essere dimensionati tenendo presente la conduttività della lega, ma questo compromesso è sostanzialmente compensato dalla un margine di corrosione molto sottile consentito dal G-30 rispetto alle pareti più spesse di cui avrebbe bisogno una lega meno resistente ed economica.

Fonte: dati sulle proprietà fisiche di Haynes International, scheda tecnica della lega HASTELLOY G-30.

Si tratta di un vero e proprio compromesso ingegneristico-, non di un punto di marketing da sorvolare: una parete di un tubo di nichel-cromo-ferro condurrà il calore in modo notevolmente meno efficiente rispetto a un tubo in lega di rame o acciaio al carbonio di spessore comparabile-e la progettazione termica dello scambiatore di calore (numero di tubi, lunghezza o spessore della parete) deve tenerne conto direttamente nel calcolo del trasferimento di calore-. In pratica, i progettisti di evaporatori compensano questo problema sfruttando la resistenza alla corrosione di G-30 per specificare una parete del tubo più sottile di quella richiesta da un progetto in-acciaio al carbonio o leghe inferiori-, recuperando parzialmente la penalità di trasferimento di calore-dalla minore conduttività pur garantendo una durata di servizio multi-decennale senza il margine-di spessore della parete che una tolleranza di corrosione su un materiale meno resistente richiederebbe.

Quali forme e standard di prodotto dei tubi si applicano ai tubi dell'evaporatore G-30?

Il tubo dell'evaporatore G-30 è disponibile sia come tubo senza saldatura secondo ASTM/ASME B622/SB622 che come tubo saldato secondo ASTM/ASME B619/B626 e SB619/SB626, viene fornito ricotto-e deve essere ricotto-dopo qualsiasi operazione di formatura-a freddo o piegatura-del tubo che produce il 7% o più allungamento della fibra esterna per ripristinare la completa resistenza alla corrosione.

Fonte: tabella "Specifiche e codici" di Haynes International, scheda tecnica della lega HASTELLOY G-30.

La temperatura di ricottura per G-30 è 1.177 gradi (2.150 gradi F) con raffreddamento in acqua consigliato, sebbene il raffreddamento rapido ad aria sia fattibile per strutture più sottili di 10 mm (0,375 pollici) - una categoria che include la maggior parte degli spessori delle pareti dei tubi dell'evaporatore-. Il G-30 è più rigido degli acciai inossidabili austenitici e si indurisce più facilmente, il che è importante per le operazioni di piegatura ed espansione dei tubi durante la fabbricazione del fascio e dovrebbe essere pianificato nella sequenza di produzione.

Quali sono la progettazione pratica e i limiti operativi dei tubi evaporatori G-30?

G-30 offre prestazioni affidabili nell'intero intervallo di concentrazione del 30-54% P2O5 e fino a 121 gradi in acido di processo-a umido, ma i progettisti dovrebbero considerare la contaminazione localizzata da cloruro - e non la resistenza dell'acido in massa - come vincolo di progettazione applicabile e dovrebbero prestare particolare attenzione ai forti picchi di tasso di corrosione-mostrati dai dati sull'acido cloridrico del G-30 a determinati livelli intermedi combinazioni di concentrazione e temperatura.

La tabella dell'acido cloridrico di Haynes International mostra che i tassi di corrosione aumentano bruscamente in alcune condizioni intermedie - ad esempio, l'HCl al 2,5% a 93 gradi (200 gradi F) salta a 4,23 mm/a, e l'HCl al 2-2,5% bollente raggiunge 9,47-12,67 mm/a - molto al di sopra dei tassi ben- comportati in entrambi concentrazioni sempre più basse nelle vicinanze. Questo tipo di comportamento non monotono ricorda che i diagrammi di isocorrosione e le tabelle di concentrazione dovrebbero essere letti in base alla chimica acida locale effettiva prevista sulla parete del tubo (inclusi eventuali effetti di concentrazione derivanti dall'ebollizione o dall'evaporazione direttamente in superficie), non solo alla concentrazione nominale del processo in massa.

• Guida alla progettazione e al funzionamento:Tieni traccia dei livelli di impurità di cloruro e acido -solforico-libero nell'acido di processo, poiché sono questi - e non la concentrazione nominale di P2O5 - a determinare effettivamente il rischio di corrosione dei tubi.
• Guida alla progettazione e al funzionamento:Pianificare la pulizia meccanica periodica e l'ispezione in presenza di incrostazioni e depositi, poiché è possibile avvicinarsi alla soglia di corrosione interstiziale di G-30 (25-45 gradi nei test accelerati) ovunque le incrostazioni concentrino i cloruri localmente.
• Guida alla progettazione e al funzionamento:Evita progetti che concentrino l'acido cloridrico localmente nell'intervallo del 2-3% a temperature elevate, dove i dati del G-30 mostrano un picco sproporzionato del tasso di corrosione.
• Guida alla progettazione e al funzionamento:Laddove il carryover di acido solforico è insolitamente elevato o si avvicina regolarmente alla concentrazione del 90% sulla parete del tubo, valutare la lega 625 o l'HASTELLOY G-35 come alternativa più conservativa.
• Guida alla progettazione e al funzionamento:Ri-ricottura dei tubi dopo-operazioni di formatura a freddo o piegatura che superano circa il 7% di allungamento della fibra-esterna per ripristinare completamente la resistenza alla corrosione prima della messa in servizio.

Domande frequenti

D: Perché Hastelloy G-30 viene utilizzato per i tubi dell'evaporatore dell'acido fosforico?

A: L'alto contenuto di cromo del G-30 resiste al carattere ossidante della contaminazione da acido fosforico e acido nitrico-del processo a umido, mentre il contenuto di molibdeno e rame resiste alle impurità dell'acido solforico presenti in ogni flusso di processo a umido-. Haynes International definisce i tubi per evaporatori P2O5 come una delle due applicazioni principali della lega, supportata sia dal grado di reagente- sia dai test sugli acidi con processo a umido.

D: La resistenza alla corrosione del G-30 resiste alla concentrazione massima di P2O5 del 54% utilizzata negli evaporatori commerciali?

A: SÌ. I dati relativi all'acido fosforico bollente del grado-del reagente mostrano che il tasso di corrosione del G-30 aumenta solo gradualmente nell'intervallo di concentrazione, rimanendo nell'intervallo di 0,1-0,2 mm/anno intorno al 54-60% P2O5 - ben entro un margine di progettazione confortevole.

D: Qual è il rischio di corrosione maggiore per i tubi G-30 utilizzati negli evaporatori?

A: Vaiolatura e corrosione interstiziale provocate dal cloruro- sotto incrostazioni e depositi, attacco acido non uniforme su una superficie pulita. I test accelerati standard mostrano soglie di vaiolatura e corrosione interstiziale di G-30 a 25-55 gradi, motivo per cui la pulizia e l'ispezione periodiche in presenza di incrostazioni rimangono importanti indipendentemente dalla lega scelta.

D: Hastelloy G-30 è migliore della lega 625 per gli evaporatori di acido fosforico?

A: Dipende da quale impurità domina. I dati comparativi di Haynes International mostrano che G-30 è superiore a 625 nell'acido cloridrico, ma 625 mantiene un leggero vantaggio nell'acido solforico. Laddove il trascinamento di acido solforico è insolitamente elevato, 625 o HASTELLOY G-35 con un contenuto di cromo superiore può essere la specifica più conservativa.

D: La saldatura riduce la resistenza alla corrosione del G-30 nella fabbricazione dei tubi dell'evaporatore?

A: Generalmente no. I dati pubblicati sulla saldatura-metallo-rispetto a-lavorato mostrano solo una piccola differenza nella maggior parte delle condizioni di acido solforico e cloridrico rilevanti per il servizio dell'evaporatore, con sia il metallo saldato che il metallo di base lavorato che mostrano un aumento corrispondente, guidato dalla chimica-solo nella condizione più severa testata (acido solforico al 90%).

D: Come si confronta la conduttività termica del G-30 con altri materiali dei tubi degli scambiatori di calore?

A: La conduttività termica del G-30 (circa 10 W/m· grado a temperatura ambiente) è ben inferiore alle leghe di rame e all'acciaio al carbonio, quindi l'area di trasferimento del calore- deve essere dimensionata di conseguenza. In pratica questo è in parte compensato perché la resistenza alla corrosione del G-30 consente una parete del tubo più sottile di quella necessaria per una lega meno resistente per la stessa durata di servizio.