Incoloy 825 nella produzione di acido fosforico: prestazioni dello scambiatore di calore acido di processo-umido

L'acido fosforico-per processo a umido (WPA) è uno dei fluidi più corrosivi utilizzati nei processi chimici industriali, poiché combina acido solforico libero, fluoruro, cloruro e solidi abrasivi in ​​un unico flusso. Gli scambiatori di calore nelle sezioni di digestione, filtrazione ed evaporazione di un impianto WPA vedono questo attacco concentrato in corrispondenza di velocità, temperatura e punti di saldatura - esattamente dove i guasti sono più costosi.Incoloy 825 (UNS N08825)è diventata la lega più utilizzata per questo compito poiché la sua composizione chimica di nichel-cromo-molibdeno-rame è stata sviluppata specificatamente per resistere contemporaneamente sia all'attacco riducente dell'acido solforico/fosforico che alla corrosione localizzata del cloruro.

Questa guida spiega perché Incoloy 825 funziona bene negli scambiatori di calore WPA, come si confronta con l'acciaio inossidabile 316L e le leghe di nichel superiori e quali pratiche di progettazione e fabbricazione sono necessarie per ottenere la sua piena durata.

Che cos'è Incoloy 825 e perché è ampiamente utilizzato nella produzione di acido fosforico?

Incoloy 825 è una lega di nichel-ferro-cromo con aggiunta di molibdeno e rame, specificamente formulata per resistere all'attacco combinato di acido solforico, acido fosforico e cloruro/fluoruro presenti nell'acido fosforico di processo-umido, motivo per cui è diventata la lega standard per scambiatori di calore e apparecchiature di processo nella maggior parte degli impianti di produzione WPA.

Tabella 1 - Composizione chimica rappresentativa di Incoloy 825 secondo ASTM B424/B425/B163.

L'aggiunta di rame della lega è la chiave della sua resistenza agli acidi riducenti come l'acido solforico e fosforico, mentre il suo contenuto di molibdeno aggiunge resistenza alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale da parte degli ioni cloruro. Il suo elevato contenuto di nichel (38–46%) resiste alla tensocorrosione da cloruro, una modalità di guasto che limita gli acciai inossidabili austenitici standard come il 316L in questo servizio. Poiché l'acido fosforico da processo-umido contiene tutte queste specie aggressive contemporaneamente - acido solforico dalla fase di digestione, fluoruro dalla roccia fosfatica e cloruro come contaminante - La resistenza bilanciata a più-elementi di Incoloy 825 lo rende una pratica soluzione in lega singola-per la maggior parte degli impianti anziché richiedere una lega speciale diversa per ogni specie corrosiva.

Cosa rende l'acido fosforico-di processo umido così corrosivo per i materiali dello scambiatore di calore?

L'acido fosforico da processo-umido è aggressivo perché combina quattro meccanismi di corrosione separati in un unico flusso - attacco di acido solforico libero, fluoruro-corrosione accelerata, cloruro-vaiolatura indotta e tensocorrosione ed erosione-prodotta da solidi-corrosione - ognuno dei quali metterebbe a dura prova un acciaio inossidabile standard da solo, per non parlare di tutti e quattro insieme.

Acido solforico libero: il WPA viene prodotto digerendo la roccia fosfatica con acido solforico e un eccesso controllato di acido solforico non reagito rimane generalmente nel flusso del processo, attaccando i materiali privi di forte resistenza agli acidi riducenti-.

Contenuto di fluoro: la roccia fosfatica contiene fluorapatite, che rilascia ioni fluoro durante la digestione; il fluoro può rompere localmente le pellicole di ossido passivo e accelerare la corrosione, in particolare ad alta concentrazione o temperatura elevata.

Contaminazione da cloruro: il cloruro entra dal minerale, dall'acqua di processo o dalla contaminazione a monte e provoca vaiolatura localizzata e corrosione interstiziale e, nei casi più gravi, la rottura per corrosione da stress da cloruro delle leghe sensibili.

Solidi sospesi ed erosione dei liquami: il WPA trasporta sottili particelle di gesso e roccia non reagita, che erodono le pellicole protettive di ossido ad alta velocità, in particolare negli ingressi dei tubi, nelle curve e nei punti di contatto dei deflettori negli scambiatori di calore.

In che modo Incoloy 825 resiste alla corrosione a diverse concentrazioni e temperature di WPA?

Incoloy 825 mantiene un tasso di corrosione generale basso e prevedibile nell'intervallo tipico di acidi di processo-a umido, dall'acido del filtro P2O5 diluito al 28–30% fino al prodotto concentrato dell'evaporatore P2O5 al 40–54%, sebbene i tassi di corrosione aumentino sia con l'aumento della temperatura che con l'aumento della contaminazione da fluoruri/cloruri, di cui occorre tenere conto nella progettazione dello scambiatore.

Tcondizioni rappresentative dell'acido fosforico con processo a umido 2 --per fase di produzione e intervallo di prestazioni generali di Incoloy 825. I tassi di corrosione effettivi dipendono dalla chimica specifica dell'impianto (livelli di fluoruro, cloruro e solfato) e devono essere confermati da test sui campioni o dalla storia dell'impianto.

Come si confronta Incoloy 825 con l'acciaio inossidabile 316L nel servizio scambiatore di calore WPA?

Incoloy 825 supera sostanzialmente l'acciaio inossidabile 316L nel servizio con acido fosforico-con processo a umido, in particolare per quanto riguarda vaiolatura, corrosione interstiziale e tensocorrosione da cloruri, motivo per cui 316L è generalmente limitato a zone di-gravità inferiore e con meno-cloruri mentre Incoloy 825 è specificato per la maggior parte delle operazioni sugli scambiatori di calore WPA.

Tabella 3 - Proprietà comparative dell'acciaio inossidabile 316L e dell'Incoloy 825 per il servizio con acido fosforico con processo-umido. Il costo relativo è solo indicativo e varia in base ai prezzi di mercato del nichel/molibdeno.

Come si confronta Incoloy 825 con le leghe superiori come la lega 625 nelle zone più severe?

Conclusione:Nelle zone più severe di un impianto WPA, - il contenuto di fluoruro molto elevato, il cloruro elevato o gli stadi dell'evaporatore a-temperatura più elevata - la lega 625 o simili leghe di nichel ad alto-molibdeno possono superare Incoloy 825, ma questa resistenza aggiuntiva ha un costo significativamente più elevato, quindi la lega 625 è generalmente riservata a specifici componenti ad alto-rischio piuttosto che utilizzata in tutto l'impianto.

Tabella 4 - Incoloy 825 rispetto a Alloy 625 per le zone di acido fosforico con processo a umido-più impegnative.

L'approccio pratico utilizzato dalla maggior parte dei produttori di WPA è quello di specificare Incoloy 825 come materiale di base per la maggior parte delle apparecchiature di processo, quindi aggiornare selettivamente componenti specifici - spesso identificati attraverso il monitoraggio della corrosione dell'impianto o precedenti guasti - alla lega 625 o un'altra lega ad alto-molibdeno solo dove le condizioni locali (un flusso laterale-ricco di fluoruro, un gomito ad alta-velocità o un punto caldo noto) lo richiedono.

Che ruolo gioca la contaminazione da fluoro e cloruro nella selezione dei materiali?

I livelli di fluoruro e cloruro - e non solo la concentrazione di P2O5 o la sola temperatura - sono spesso i fattori decisivi per decidere se Incoloy 825 è sufficiente o se è necessaria una lega più elevata, perché entrambe le specie possono rompere localmente la pellicola passiva di ossido che protegge le leghe di nichel dall'attacco degli acidi.

Le fonti di roccia fosfatica variano in modo significativo nel contenuto di fluoruro e l'acqua di processo e i flussi riciclati possono introdurre livelli di cloruro variabili che non sempre si riflettono nella base di progettazione nominale di un impianto. Poiché la resistenza alla corrosione di Incoloy 825 dipende da una pellicola passiva stabile, livelli elevati di fluoruro o cloruro oltre i livelli assunti nella selezione del materiale originale possono portare a una corrosione localizzata inaspettatamente rapida, anche quando la concentrazione e la temperatura dell'acido in massa rimangono entro i normali limiti di progettazione. Per questo motivo, la selezione efficace dei materiali e i programmi di affidabilità continua negli impianti WPA includono regolarmente test di corrosione e analisi periodiche delle materie prime piuttosto che fare affidamento solo sulla concentrazione e sulla temperatura di P2O5.

In che modo l'erosione-la corrosione causata dai fanghi di processo influisce sulla durata dei tubi dello scambiatore di calore?

L'erosione-corrosione da gesso sospeso e solidi rocciosi nel WPA riduce la durata del tubo dello scambiatore di calore principalmente nelle posizioni ad alta-velocità - ingressi dei tubi, -curve a U e punti di contatto del deflettore - dove la rimozione meccanica della pellicola protettiva di ossido supera la sua capacità di riformarsi, rendendo il controllo della velocità laterale del tubo-importante quanto la selezione della lega per l'affidabilità a lungo termine.

Mantenere la velocità laterale del tubo-entro l'intervallo consigliato dal fornitore della lega per il servizio WPA su-cuscinetti di liquame, in genere ben al di sotto dei limiti di velocità utilizzati per fluidi puliti, non-abrasivi.

Utilizzare rivestimenti o ghiere del tubo di ingresso all'ingresso del tubo, dove la turbolenza e l'impatto dell'ugello di ingresso concentrano l'usura erosiva.

Progetta i tagli e la spaziatura del deflettore per ridurre al minimo l'impatto diretto ad alta velocità- del liquame contro le pareti del tubo nei punti di contatto del deflettore.

Monitorare e pulire periodicamente gli scambiatori per rimuovere i solidi depositati, poiché la deposizione localizzata può creare celle di aerazione differenziale che accelerano la corrosione sotto il deposito.

Quali pratiche di saldatura e fabbricazione preservano la resistenza alla corrosione di Incoloy 825 negli scambiatori di calore?

Per preservare la resistenza alla corrosione di Incoloy 825 attraverso la fabbricazione sono necessari materiale di base e metallo d'apporto a basso-carbonio, copertura completa del gas di protezione (compreso il gas di spurgo sul diametro interno del tubo) e pulizia completa del cordone di saldatura per rimuovere la tinta dovuta al calore, poiché qualsiasi di queste cadute può creare una zona localmente meno-resistente che diventa il primo punto di guasto durante il servizio.

Utilizzare il metallo d'apporto Incoloy 825 corrispondente (ERNiFeCr-1 / ENiCrMo-3 a seconda dei casi) per evitare un deposito di saldatura con resistenza alla corrosione diversa rispetto al metallo di base.

Spurgare l'interno del tubo con gas inerte durante la saldatura per prevenire l'ossidazione (scolorimento dovuto al calore) sulla-superficie bagnata dal processo, che è molto più suscettibile alla corrosione localizzata rispetto al metallo saldato adeguatamente schermato.

Saldature decapate e passivate dopo la fabbricazione per rimuovere la tinta dovuta al calore e ripristinare uno strato passivo uniforme di ossido di cromo su tutta la superficie bagnata.

Controllare la temperatura di interpass per limitare il tempo trascorso nell'intervallo di temperature di sensibilizzazione, riducendo il rischio di precipitazione di carburo di cromo ai bordi dei grani anche se il basso contenuto di carbonio di Incoloy 825 e la stabilizzazione del titanio forniscono già una buona resistenza alla sensibilizzazione.

Ispeziona le saldature completate per verificarne la completa penetrazione e l'assenza di fessure o assenza di-di-difetti di fusione, poiché queste caratteristiche geometriche diventano siti preferenziali per la corrosione interstiziale indipendentemente dalla chimica della lega.

Come dovrebbero essere progettati gli scambiatori di calore per una lunga durata in WPA?

Gli scambiatori di calore WPA-di lunga durata combinano un'appropriata selezione della lega con una velocità laterale del tubo- conservativa, un'adeguata tolleranza alla corrosione, fasci tubieri accessibili per l'ispezione e la pulizia e zone di transizione dei materiali (piastre tubiere, teste dei canali) progettate per evitare problemi galvanici e interstiziali in cui si incontrano materiali diversi.

Selezionare il materiale del tubo (tipicamente Incoloy 825, con Alloy 625 nelle zone severe note) in base ai dati confermati di fluoruro, cloruro e temperatura del processo - non alla sola concentrazione generica di P2O5.

Impostare la velocità laterale del tubo-nell'intervallo consigliato per il servizio di cuscinetti-del liquame per bilanciare l'efficienza del trasferimento di calore rispetto al rischio di erosione-corrosione.

Specificare un adeguato margine di corrosione per lo spessore della parete in base allo storico del monitoraggio della corrosione-specifico dell'impianto anziché a un valore predefinito generico.

Progettare piastre tubiere e teste dei canali con materiali compatibili o rivestiti per evitare la corrosione galvanica nei punti in cui la lega del tubo incontra un materiale strutturale diverso.

Fornire uno spazio adeguato-per l'estrazione del fascio e un accesso per l'ispezione, poiché l'ispezione e la pulizia periodiche dei tubi sono essenziali per individuare la corrosione o l'erosione localizzata prima che causi una perdita.

Stabilisci un programma di test e ispezione -di routine per tenere traccia dei tassi di corrosione effettivi rispetto ai presupposti di progettazione e individuare i cambiamenti chimici del processo prima che causino guasti imprevisti.

Qual è il costo totale di proprietà di Incoloy 825 rispetto alle alternative nel servizio WPA?

Sebbene Incoloy 825 costi molte volte di più per unità di massa rispetto all'acciaio inossidabile 316L, in genere offre un costo totale di proprietà inferiore nel servizio di scambiatori di calore con acido fosforico a processo umido-perché evita i frequenti guasti dei tubi, gli arresti non pianificati e le sostituzioni dei fasci che 316L sperimenta in questo ambiente.

Un confronto significativo dei costi deve includere non solo il prezzo iniziale del fascio tubiero, ma anche l'intervallo previsto tra i guasti, il costo della perdita di produzione non pianificata durante ogni guasto e il costo di manodopera e smaltimento per la sostituzione del fascio. Nell'acido fosforico-con processo a umido, gli scambiatori 316L spesso presentano perdite legate a vaiolatura o-corrosione-stress entro pochi anni di servizio continuo, mentre gli scambiatori Incoloy 825 adeguatamente progettati e fabbricati raggiungono comunemente durate di servizio misurate in un decennio o più nelle stesse condizioni. Quando si includono questi costi di guasti e tempi di inattività evitati, il costo del materiale più elevato di Incoloy 825 viene generalmente recuperato più volte nel corso della vita operativa dello scambiatore, rendendolo la scelta economicamente razionale per la maggior parte delle attività dello scambiatore di calore WPA nonostante il suo prezzo iniziale più elevato-.

Domande frequenti