Hastelloy G-30 i fosforsyraförångare: Prestandadata för värmeväxlarrör

Varför är Hastelloy G-30 specificerad för förångningsrör för fosforsyra?

G-30-talets kemi - högt krom med måttligt molybden och en koppartillsats - konstruerades medvetet för att hantera den specifika kombinationen av föroreningar som finns i våtprocessfosforsyra, och Haynes International kallar P2O5-förångarrör som två av huvudlegeringarna.

Källa: Haynes Internationals nominella sammansättningsdatablad, HASTELLOY G-30 legering.

Högt krominnehåll ger G-30 stark beständighet mot den oxiderande karaktären hos våt-processsyra och mot salpetersyra- och salpetersyra--blandningar, medan dess molybden- och koppartillsatser ger den måttlig motståndskraft mot reducerande syror såsom salt- och svavelsyra - som båda finns i kommersiella fosforsyraföroreningar. Haynes International noterar också att G-30 är mindre känsligt för klorid-inducerad spänningskorrosionssprickning än de austenitiska rostfria stål som det vanligtvis ersätter i den här tjänsten, vilket har direkt betydelse för rörbuntar som ser upprepade termiska cykler under start och avstängning av förångaren.

Vad gör våt-processfosforsyra så frätande för förångarslangar?

Fosforsyra i våt-process är frätande främst på grund av det som är löst i den, inte fosforsyran i sig: oreagerad svavelsyra, metalljoner, fluoridjoner, kloridjoner och suspenderade partiklar som kiseldioxid åker alla tillsammans med P2O5, och av dessa är det kemiska angreppsrören som bestämmer att de kemiska angreppsrören är den dominerande kloriden.

Fosforsyra i "våt-process" framställs genom att fosfatsten reagerar med svavelsyra, och som den produceras innehåller den endast cirka 30 % P2O5 på grund av den stora volymen sköljvatten som behövs för att separera den från kalciumsulfatbiprodukten. Fluorjoner tenderar att bilda stabila komplex med metalljoner i lösning och är därför mindre aggressiva mot rörmaterial än kloridjoner, vilket starkt påverkar de elektrokemiska reaktionerna mellan syran och metallytan. Detta är anledningen till att valet av legeringar för förångarslangar drivs mer av klorid-gropbildning och sprickbildningsmotstånd- än av syrans nominella fosforsyrastyrka enbart.

Under förångningsprocessen höjs vanligtvis P2O5-koncentrationen från cirka 30 % upp till cirka 54 % över en serie av förångningssteg. Enbart högre koncentration skulle antyda högre korrosivitet, men Haynes International noterar att denna effekt delvis kompenseras eftersom föroreningsnivåerna - inklusive de klorider som betyder mest - tenderar att sjunka när syran blir mer koncentrerad.

Hur fungerar G-30 i verklig våt-processsyra, inte bara syra av reagenskvalitet?

Haynes International stödjer sina laboratoriedata för reagens-med fält-representativa tester utförda i faktisk syra i våt-process som levererats av en fosfatproducent i Florida vid tre verkliga produktionskoncentrationer (36 %, 48 % och 54 % P2O5) och 121 grader (250 grader F) och 121 grader (250 grader F) direkt mot jämförbart stål{1}. förhållanden mycket närmare en fungerande förångare än ett bägaretest av reagenskvalitet.

Denna distinktion är viktig för alla som specificerar rörmaterial från ett datablad: korrosionstabeller för reagens- (används i den här artikeln för sin precision och repeterbarhet) isolerar effekten av enbart syrakoncentration och temperatur, medan riktig våt-processsyra tillför fluorid-, klorid-, sulfat- och partikelbelastningen som diskuterats ovan. Haynes Internationals beslut att göra en dedikerad verklig-syrajämförelse vid produktions-relevanta koncentrationer är en meningsfull del av due diligence, och det är därför G-30 har en genuin, fältvaliderad meritlista i denna applikation snarare än en rent teoretisk.

Oberoende fält- och pilot--anläggningsdata rapporterade i fosforsyra--syraprocesspatent lägger till ytterligare en längre-datapunkt för den bredare Hastelloy G-legeringsfamiljen: i fosfatrötningsförsök registrerade en Hastelloy G-legeringshjul en korrosionshastighet på 6,67 mils per år mot 1 set mils per år. kokarförhållanden och 11,71 mpy mot 15,77 mpy för 625 under ett högre-oxidations{10}}tillstånd. Dessa siffror beskriver den allmänna G-familjens legering snarare än G-30 specifikt, men de bekräftar samma riktade slutsats som Haynes egna data visar: G-familjens nickel-krom-järnlegeringar håller sig väl mot 625 i verklig fosforsyraproduktion, inte bara i laboratoriemiljöer.

Hur förändras G-30:s korrosionshastighet när syrakoncentrationen ökar under avdunstning?

G-30:s korrosionshastighet i kokande fosforsyra stiger stadigt från 50 % till 85 % koncentration, men förblir låg och hanterbar (0,01-0,84 mm/år) över hela området som ett förångartåg kommer att se, inklusive den ungefär 54 % P2O5-slutpunkt som är typisk för kommersiell våtprocesskoncentration.

Källa: Haynes International reagent-grade phosphoric acid corrosion table, HASTELLOY G-30 legeringsdatablad.

Eftersom de flesta kommersiella tåg för våta-processer är inriktade på en slutlig koncentration på runt 54 % P2O5, kan rördesigners förvänta sig att korrosionshastigheten för G-30-talets reagens-grad kommer att ligga inom 0,1-0,2 mm/år vid den ändpunkten - väl inom en bekväm korrosionsmängd för en lokal utformning av korrosionsnivån för en extra livslängd för en lokal utformning av korrosion. risk från klorider som diskuteras nedan.

Hur jämförs G-30 med 316L, 254SMO och Alloy 625 i förångarrelevanta syror?

Haynes Internationals egna jämförande tomter placerar G-30 före 316L och 254SMO rostfritt stål i både salt- och svavelsyra, och före Alloy 625 specifikt i saltsyra - men Haynes anger direkt att G-30:s 0,1 mm/y-linje sitter något högre än 625's svavelsyra, vilket betyder att svavelsyran är något högre än 625. överallt där svavelsyraförorening är det dominerande problemet.

Detta är en användbar, ärlig datapunkt för specifikationsbeslut: G-30 är inte universellt före varje konkurrerande legering i varje syra som en förångare kan se. Där den dominerande föroreningen är svavelsyra som överförs från bergrötningssteget, kan Alloy 625 (eller den högre -krom HASTELLOY G-35, som täcks av en kompletterande artikel i denna serie) erbjuda en liten extra marginal. Där syran ligger närmare den rena våtprocesskemin med sin karakteristiska kloridbelastning, ger G-30:s balans av krom, molybden och koppar den en verklig fördel jämfört med både de rostfria stålen och 625 i saltsyra specifikt.

Vad är G-30-talets motståndskraft mot underavlagringar och spaltkorrosion?

Under de två standardaccelererade testerna som används för att simulera klorid-förorenade förhållanden - grön död och gul död - visar G-30 först gropbildning vid 55 grader och sprickangrepp vid 45 grader (grön död) eller 25 grader (gul död), vilket är exakt det felläge som förångningsrören bygger upp på i de fasta exposrören. yta.

Källa: Haynes International grop- och spaltkorrosionsdata (24-timmars tester), HASTELLOY G-30 legeringsdatablad.

Detta är den enskilt mest operativt relevanta datamängden i den här artikeln. Bulksyrabeständighet, som visas i koncentrationstabellerna ovan, beskriver vad som händer med en ren röryta som utsätts jämnt för flytande syra. Riktiga förångarrör ackumulerar kalkavlagringar, kalciumsulfatavlagringar och stillastående zoner vid bafflar och stödplattor --förhållanden som koncentrerar klorider lokalt och kan utlösa grop- eller spaltangrepp långt under bulksyrans nominella driftstemperatur. G-30:s spaltkorrosionströskel på 25-45 grader är en meningsfull, kvantifierad marginal över typiska förångares driftstemperaturer för många konstruktioner, men det understryker också varför periodisk mekanisk rengöring och inspektion under avlagringar förblir standardpraxis oavsett val av legering.

Är G-30 resistent mot kloridspännings-korrosionssprickor vid förångare?

Ja - i standardtestet med kokande 45 % magnesiumklorid (ASTM G36),G-30motstod sprickbildning i 168 timmar, ungefär sju gånger längre än 254SMO och 84 gånger längre än 316L, och överträffade två jämförande nickellegeringar ('28' och '31') testade vid sidan av den.

Källa: Haynes International stress-data från korrosionssprickor (kokande 45 % MgCl2, ASTM G36), HASTELLOY G-30 legeringsdatablad.

SCC-beständighet är viktig för förångarrörbuntar eftersom de kombinerar två av de tre ingredienserna SCC kräver - ett känsligt material under dragpåkänning (från termisk cykling, rullning in i rörplåten eller kvarvarande svetsspänning) som utsätts för en klorid-bärande miljö. G-30:s ungefär 168-timmarströskel i ett test som är mycket strängare än typiska serviceförhållanden ger rörkonstruktörer en betydande, kvantifierad säkerhetsmarginal jämfört med de rostfria stål som oftast anses vara billigare alternativ.

Hur påverkar svetsning rör-skarv och rör-till-korrosionsbeständighet?

G-30-talets alla-svets-metallkorrosionshastigheter förblir nära bearbetad basmetall under de flesta svavel- och saltsyraförhållanden som är relevanta för förångare, med undantag för 90 % svavelsyra, där både svetsmetall och bearbetad basmetall visar en kraftig, matchad höjning, vilket innebär en snarare ökning än en kemisk ökning {{5} svetsspecifik svaghet.

Källa: Haynes International all-svets-metall (multi-korsformad GMAW) vs. smidesbas-metallkorrosionsdata, HASTELLOY G-30 legeringsdatablad.

För förångarrörbuntar tillverkade av svetsade rör (ASTM B619/B626) eller som kräver rör-till-rörplåtssvetsar, stöder dessa data specificering av G-30 utan en filtnedstämpling för svetszoner i de flesta sura förhållanden som legeringen är avsedd för. Resultatet med 90 % svavelsyra är en påminnelse om att G-30, liksom G-35, inte är det rätta valet om en växts svavelsyraöverföring regelbundet når den koncentrationen vid rörväggen – ett tillstånd där 625 eller ett G-35-rör med högre krom skulle vara den mer konservativa specifikationen.

Hur påverkar G-30:s värmeledningsförmåga värmeväxlarens rördesign?

G-30:s värmeledningsförmåga (cirka 10 W/m· grad vid rumstemperatur, stigande till ungefär 19-21 W/m· grad vid 400-600 grader) är långt under den för kopparlegeringar och till och med kolstål, så värme-{7}}överföringsytan måste ha en tjocklek på hela-rörets yta och röret. konduktivitet i åtanke - men denna avvägning uppvägs avsevärt av den mycket tunna korrosionstillåten G-30 tillåter jämfört med de tjockare väggarna som en mindre motståndskraftig, billigare legering skulle behöva.

Källa: Haynes International Physical Property Data, HASTELLOY G-30 legeringsdatablad.

Detta är en genuin ingenjörskonsult-, inte en marknadsföringspunkt att skingra över: en vägg av nickel-krom-järn leder värme märkbart mindre effektivt än en kopparlegering eller kolstål med jämförbar -tjocklek, och värmeväxlarens termiska design (rörens tjocklek, längd, längd, eller tar direkt hänsyn till det-väggtjockleken,4)} beräkning. I praktiken kompenserar förångareskonstruktörer detta genom att dra fördel av G-30:s korrosionsbeständighet för att specificera en tunnare rörvägg än en konstruktion av kol-stål eller lägre-legering skulle kräva, vilket delvis återvinner värmeöverföringsstraffet från lägre konduktivitet samtidigt som det fortfarande ger en flerårig{1}livslängd{1} marginal en korrosionstillägg på ett mindre motståndskraftigt material skulle kräva.

Vilka rörproduktformer och standarder gäller för G-30 förångarslangar?

G-30 förångarslangar finns tillgängliga som både sömlösa rör under ASTM/ASME B622/SB622 och svetsade rör under ASTM/ASME B619/B626 och SB619/SB626, levereras fräs-glödgade, och bör åter{1}glödga{{0} efter eventuell kallglödgning eller kallglödgning rörböjning- som ger 7 % eller mer yttre fiberförlängning för att återställa full korrosionsbeständighet.

Källa: Haynes International "Specifications and Codes" tabell, HASTELLOY G-30 legeringsdatablad.

Glödgningstemperaturen för G-30 är 1 177 grader (2 150 grader F) med vattenkylning rekommenderas, även om snabb luftkylning är möjlig för strukturer som är tunnare än 10 mm (0,375 tum) - en kategori som inkluderar de flesta väggtjocklekar för förångarrör-. G-30 är styvare än de austenitiska rostfria stålen och härdar lättare, vilket har direkt betydelse för rörböjning och expansion under bunttillverkning och bör planeras in i tillverkningssekvensen.

Vilka är de praktiska design- och driftsgränserna för G-30 förångarrör?

G-30 presterar tillförlitligt över hela 30-54 % P2O5-koncentrationsintervall och upp till 121 grader i verklig våt-processsyra, men designers bör behandla lokaliserad kloridförorening - inte bulksyrastyrka - som den styrande designrestriktionen{11 specifikt för den skarpa korrosionen,{11} och G-30:s egna saltsyradata visar vid vissa mellanliggande koncentration- och temperaturkombinationer.

Haynes Internationals saltsyratabell visar korrosionshastigheter som ökar kraftigt vid vissa mellanliggande förhållanden - till exempel, 2,5 % HCl vid 93 grader (200 grader F) hoppar till 4,23 mm/år, och kokande 2-2,5 % HCl når 9,47{{10} mmy/12 långt över {{10}mmy}. väl{11}}uppförde sig i både lägre och högre koncentrationer i närheten. Denna typ av icke-monotona beteende är en påminnelse om att iso-korrosionsdiagram och koncentrationstabeller bör läsas vid den faktiska, lokala syrakemin som förväntas vid rörväggen (inklusive eventuella koncentrationseffekter från kokning eller avdunstning direkt vid ytan), inte bara den nominella bulkprocessens koncentration.

• Design- och driftvägledning:Spåra föroreningsnivåer av klorid och fri-svavelsyra- i processsyran, eftersom dessa - inte den nominella P2O5-koncentrationen - är det som faktiskt driver rörkorrosionsrisken.
• Design- och driftvägledning:Schemalägg periodisk mekanisk rengöring och inspektion under skala och avlagringar, eftersom G-30:s spalt-korrosionströskel (25-45 grader i accelererade tester) kan nås överallt där nedsmutsning koncentrerar klorider lokalt.
• Design- och driftvägledning:Undvik konstruktioner som koncentrerar saltsyra lokalt till 2-3 %-intervallet vid förhöjd temperatur, där G-30:s egna data visar en oproportionerlig korrosionstakt.
• Design- och driftvägledning:Om svavelsyraöverföringen är ovanligt hög eller regelbundet närmar sig 90 % koncentration vid rörväggen, utvärdera Alloy 625 eller HASTELLOY G-35 som ett mer konservativt alternativ.
• Design- och driftvägledning:Åter-glödga slangen efter kall-formnings- eller bockningsoperationer som överstiger cirka 7 % yttre-fiberförlängning för att helt återställa korrosionsbeständigheten före idrifttagning.

Vanliga frågor

F: Varför används Hastelloy G-30 för förångningsrör för fosforsyra?

A: G-30:s höga krominnehåll motstår den oxiderande karaktären av våt-fosforsyra och salpetersyra-förorening, medan dess innehåll av molybden och koppar motstår svavelsyraföroreningarna som finns i varje våt-processström. Haynes International utnämner P2O5-förångarrör som en av legeringens två primära applikationer, med stöd av både reagens-kvalitets- och syratestning av verklig våtprocess.

F: Håller G-30:s korrosionsbeständighet vid hela 54 % P2O5-koncentration som används i kommersiella förångare?

A: Ja. Kokande fosforsyradata av reagens-kvalitet visar att G-30:s korrosionshastighet endast stiger gradvis över koncentrationsområdet, och ligger inom intervallet 0,1-0,2 mm/år runt 54-60 % P2O5 -, väl inom en bekväm designgräns.

F: Vilken är den största korrosionsrisken för G-30-rör i förångare?

A: Klorid-driven grop- och spaltkorrosion under beläggningar och avlagringar, inte enhetlig syraangrepp på en ren yta. Standardaccelererade tester visar G-30-tals grop- och spaltkorrosionströskel vid 25-55 grader, vilket är anledningen till att periodisk rengöring och inspektion under nedsmutsning förblir viktig oavsett val av legering.

F: Är Hastelloy G-30 bättre än Alloy 625 för fosforsyraindunstare?

A: Det beror på vilken orenhet som dominerar. Haynes Internationals egna jämförande data visar G-30 före 625 i saltsyra, men 625 håller en liten kant i svavelsyra. Där svavelsyraöverföringen är ovanligt hög kan 625 eller HASTELLOY G-35 med högre krom vara den mer konservativa specifikationen.

F: Minskar svetsning G-30:s korrosionsbeständighet vid tillverkning av förångarrör?

A: Generellt nej. Publicerad svets-metall-versus-bearbetad data visar endast en liten skillnad mellan de flesta svavel- och saltsyraförhållanden som är relevanta för förångare, med både svetsmetall och bearbetad oädel metall som visar en matchad, kemidriven-ökning endast vid det svåraste testade svavelsyratillståndet (90 %).

F: Hur är G-30:s värmeledningsförmåga jämfört med andra värmeväxlarrörmaterial?

A: G-30:s värmeledningsförmåga (cirka 10 W/m· grad vid rumstemperatur) ligger långt under kopparlegeringar och kolstål, så värmeöverföringsområdet måste dimensioneras därefter. I praktiken kompenseras detta delvis eftersom G-30:s korrosionsbeständighet tillåter en tunnare rörvägg än en mindre motståndskraftig legering skulle behöva för samma livslängd.