Избор нерђајућег челика у хемијском постројењу: Водич за сервисни материјал за киселине, алкалије и раствараче

Избор метала за хемијско постројење је опклада на наредних двадесет година. Иста квалитета која траје деценијама у једној киселини може пропасти месецима у другој, а неколико делова на милион нечистоће може променити одговор. Овај водич даје јасну полазну тачку за избор нерђајућег челика и легура никла у киселим, алкалним и растварачким сервисима. Објашњава правила иза избора, упоређује главне оцене и означава услове у којима уобичајени избори не успевају. Написан је за инжењере, купце и студенте и представља водич за скрининг: коначни избор треба увек бити потврђен у односу на податке о корозији за стварни ток процеса.

Не постоји најбољи нерђајући челик за хемијска постројења; прави материјал зависи од хемикалије, њене концентрације, температуре и нечистоћа. Као полазна тачка:304Л за азотну киселину; 316Л за умерену сумпорну, фосфорну и сирћетну киселину и за већину растварача и хладне каустичне киселине;904LилиЛегура 20за ширу услугу сумпорне киселине; никл 200/201 за вруће, јаке каустике; и легуре никл-молибдена као нпрC-276(или неметалне и обложене системе) за хлороводоничну киселину, где стандардни нерђајући челици нису прикладни. Хлориди, флуориди, температура и стрес су оно што најчешће крши правила.

Како да изаберете нерђајући челик за сервис хемијских постројења?

Закључак: Почните од хемикалије и њених услова, а не од степена. Дефинишите хемикалије, концентрацију, температурни опсег, нечистоће (посебно хлориде, флуориде и оксидаторе), стрес и проток, а затим изаберите најјефтинији материјал који остаје испод ваше границе корозије са маргином.

Нерђајући челик је отпоран на корозију јер хром формира танак, невидљив оксидни филм на површини. Киселине и алкалије се различито понашају према том филму. Оксидирајуће киселине као што је азотна киселина га јачају. Редукционе киселине као што су сумпорна и хлороводонична киселина га нападају, па помажу молибден и бакар, који побољшавају отпорност на редукционе киселине. Хлориди локално разбијају филм и изазивају питтинг, корозију у пукотинама и пуцање корозије под напоном (СЦЦ). Оцена која је одлична у једној средини може бити лоша у другој.

Инжењери упоређују материјале користећи криве изокорозије, које приказују концентрацију и температуру на којој метал губи фиксну дебљину годишње. Најчешћа линија је 0,1 милиметар годишње (око 4 мил годишње), обично се третира као граница између прихватљивог и неприхватљивог за континуирану услугу. Подаци се такође приказују у опсегу испод 0,1, испод 0,5 и изнад 0,5 мм годишње.

Табела 1. Уобичајене траке брзине корозије које се користе при избору материјала. Конверзија: 1 мил годишње=0.0254 мм годишње. Укупне стопе не обухватају удубљење, корозију у пукотинама или пуцање, до којих може доћи чак и када је просечна стопа ниска.

Које оцене се користе у хемијским постројењима и како се упоређују?

Померајте се на лествици само онолико колико услуга захтева: 304Л и 316Л покривају многе дужности; 904Л, легура 20 и дуплекс класе подносе тврђе киселине и хлориде; а легуре никла преузимају место где нерђајући челик нестаје.

Користан број скрининга за отпорност хлоридних точака је еквивалентни број отпорности на питинг: ПРЕН=%Цр + 3.3 × %Мо + 16 × %Н. Већи број значи бољу отпорност на удубљење. ПРЕН предвиђа само удубљење хлорида. Не предвиђа киселинску корозију, пуцање корозије под напоном или понашање при високим температурама, тако да га треба комбиновати са подацима специфичним за киселину.

Табела 2. Поређење уобичајених хемијских легура биљака. ПРЕН вредности су типични израчунати распони из објављених табела; стварне вредности зависе од хемије сертификата млина. Композиције су приближне.

Који материјал треба да користите за сервис сумпорне киселине?

Користите 316Л само за разблажену, хладну сумпорну киселину; користите 904Л или Аллои 20 за шире опсеге концентрација; и пређите на легуре никла-молибдена или друге специјалне материјале јер је врућа или контаминирана киселина. 304 ограничена на веома разблажену киселину на собној температури.

Сумпорна киселина је редукујућа киселина при ниским и умереним концентрацијама, тако да нерђајући челици без молибдена и бакра имају лош учинак. Из дијаграма изо-корозије на 0,1 мм годишње, 304 је ограничен на разблажену киселину од око 5% на собној температури, док се 316 може користити до око 22% на 20 степени. Квалитет 904Л је развијен специјално за сумпорну киселину и може се користити у читавом опсегу концентрација на температурама до око 35 степени; његов додатни молибден и бакар повећавају отпорност у условима смањења. Бакар је посебно користан у средњим концентрацијама. Легура 20 је такође дизајнирана за употребу сумпорне киселине.

Важе два упозорења. Контаминација хлоридима нагло смањује отпорност: објављени дијаграми показују драматичан пад када се дода око 200 мг/Л хлорида. И веома јака, врућа киселина изнад око 90% се понаша другачије и може бити агресивна ако је нечиста, па се концентрована сумпорна киселина бира на посебној основи (на пример, нерђајући челици који садрже силицијум, који такође смањују осетљивост на брзину). Увек проверите концентрацију и температуру према табели изо-корозије за одређени степен.

Који материјал треба да користите за сервис азотне киселине?

Користите 304Л. Азотна киселина оксидира, па хром помаже, а молибден не; 316Л није посебно користан и дуплекс 2205 не нуди никакву предност у односу на 304Л у чистој азотној киселини.

Тип 304Л се широко користи за руковање и складиштење азотне киселине до концентрације од око 60% и до атмосферске тачке кључања. У кључању 65% азотне киселине, 316Л је показао стопу корозије од око 0,25 мм годишње, упоредиво са 304 на око 0,23 мм годишње, тако да молибден не доноси никакву корист.

За веће концентрације или изузетно оксидирајуће услове потребни су други материјали, као што су нерђајући челици који садрже силицијум или тантал. Мешане киселине су посебан случај. Азотна киселина са флуороводоничном киселином је изузетно агресивна: у једном скупу података, 304Л у 10% азотној киселини са 3% ХФ на 70 степени је кородирао на око 157 мм годишње. Никада немојте примењивати податке само о азоту на мешане киселине.

Који материјал треба да користите за хлороводоничну и флуороводоничну киселину?

Стандардни нерђајући челици (304, 316) нису погодни за хлороводоничну киселину при било којој концентрацији или температури. Користите легуре никла и молибдена као што су C-276, тантал, цирконијум или обложене или неметалне системе. За флуороводоничну киселину, Монел 400 је класичан метални избор у раду са деаерацијом.

Хлороводонична киселина уништава пасивни филм уобичајених аустенитних нерђајућих челика. Више никла и молибдена побољшавају отпорност само на разблажену киселину, а и даље се могу јавити удубљења, локални напади и напонске корозије. Дуплекс нерђајући челици не пружају корисну отпорност на хлороводоничну киселину. Легура 20, са бакром, такође се не препоручује. Подаци добављача илуструју јаз: у кључању 1% хлороводоничне киселине, 904Л је кородирао на око 0,55 мм годишње у односу на више од 5 мм годишње за 316, а изнад око 2% киселине без нерђајућег челика није сигуран одговор. У пракси, услуга хлороводоничне киселине захтева C-276 или сличне легуре или неметалне материјале.

За флуороводоничну киселину, Монел 400 је отпоран на све концентрације у течности са деаерацијом до кључања, са стопом корозије око 0,03–0,04 мм годишње близу собне температуре. Аерација и температуре изнад отприлике 90–120 степени нагло повећавају брзину, а могуће је пуцање корозије под напоном у влажној, газираној пари. Ова ограничења су детаљно покривена у нашем пратећем чланку о Монелу 400 у флуороводоничној киселини.

Који материјал треба да користите за фосфорну, сирћетну и мрављу киселину?

316Л је стандардни избор за фосфорну и сирћетну киселину у већини услова; корак до 904Л или више легуре за нечисту (мокри процес) фосфорну киселину; и будите опрезни са мрављом киселином, која је агресивнија.

Класе 316 и 317 које садрже молибден имају добре резултате у кључању 20% фосфорне киселине, са објављеним стопама корозије од отприлике 0,015 до 0,027 мм годишње. Нечистоће то мењају: фосфорна киселина за ђубриво (мокри процес) садржи флуор и хлорид, који повећавају корозивност, тако да су често потребне више легуре.

За сирћетну киселину, 304 има веома добру отпорност на умереним температурама, а 316 и 317 су пожељнији за шире услове; у 20% кључале сирћетне киселине, 316 је показао стопе од око 0,003 мм годишње. Мравља киселина је јако редукционо средство и лакше напада нерђајући челик: у 45% мравље киселине, легуре класе 316 кородирале су за око 0,5 до 0,6 мм годишње у истом скупу података, што је превисоко за дуготрајну употребу.

Који материјал треба да користите за каустичну соду и друге алкалије?

304 и 316 су погодни за каустичну соду на умереним температурама, али пуцање од корозије од каустичног стреса (ЦСЦЦ) постаје озбиљан ризик како температура расте, на отприлике 50–95 степени у зависности од концентрације, напона и нечистоћа. За вруће, јаке каустике, користите никл 200/201 или легуре са високим садржајем никла.

Нерђајући челици добро су отпорни на општу корозију натријум хидроксидом. Типови 304 и 316 се генерално сматрају отпорним испод око 80 степени до границе растворљивости, а неке смернице проширују употребу на око 95 степени ако се напони контролишу. Опасност је пуцање: у врућем, концентрисаном каустичном напону затезање (укључујући заостало напрезање завара) може да пукне аустенитни нерђајући челик, а неке референце постављају почетак близу 50–60 степени. Нечистоће су важне: сулфид у каустику може снизити температуру пуцања на чак 50 степени. Пошто се објављена ограничења разликују, дизајнирајте конзервативно и производе који ублажавају стрес тамо где је наведено.

Садржај никла је кључ отпорности. Комерцијално чисте легуре никла 200 и 201 су најотпорније и широко се користе у врућој, концентрованој каустици. Легуре 20, 800 и 825 боље су отпорне на каустичну корозију и пуцање од 300 серије. Шестопроцентне нерђајуће легуре молибдена такође имају добре резултате: AL-6XN је показао стопе само мало изнад оних за никл 200 у симулираним растворима каустичног испаривача од 43% на до 190 степени, без уоченог пуцања под напоном. Легура 600 може да пукне у тешким условима, као што је 50% каустика изнад око 300 степени. Занимљиво је да се чини да хлориди не погоршавају каустично пуцање.

Табела 3. Индикативни избор материјала за каустичну соду. Објављена ограничења температуре варирају између извора, па потврдите у односу на тренутне податке и спецификацију пројекта.

Како растварачи утичу на избор нерђајућег челика?

Већина органских растварача, као што су алкохоли, кетони, естри и угљоводоници, сами по себи нису корозивни за 304 или 316. Проблеми настају због загађивача: вода и хлорисани растварачи могу да формирају хлороводоничну киселину, хлориди могу да изазову рупице и пуцање корозије под стресом, а органске киселине могу кородирати неке слојеве.

Органска једињења генерално изазивају мало проблема са корозијом за нерђајуће челике. Ризици произилазе из онога што долази са растварачем. Хлоровани растварачи као што су метилен хлорид, трихлоретилен и перхлоретилен могу се полако разградити, посебно са влагом, топлотом или контактом са металом, формирајући хлороводоничну киселину, због чега произвођачи додају стабилизаторе и зашто смернице за складиштење захтевају да се влага задржи и да се сушари постављају на вентилационе отворе резервоара. У индустријским смерницама за ове раствараче, угљенични челик је генерално задовољавајући, а нерђајући челик се користи у посебним случајевима где је потребан висок квалитет. Када се користи, селекција треба да претпостави да се може развити влажно, кисело стање.

Хлориди у поларним органским течностима такође могу да нападну нерђајући челик. Лабораторијски рад је показао рупицу 316Л у метанолним растворима који садрже органске халогениде и у етанолу који садржи хлорид, и корозионо пуцање 304 и 316 у поларним органским растворима који садрже хлорид. Због тога се 316Л обично даје предност у односу на 304 за системе растварача који могу да покупе хлориде.

Табела 4. Сервисни водич за раствараче. Увек проверите код добављача растварача и стварни профил нечистоћа.

Зашто хлориди, температура и стрес мењају одговор?

Зато што покрећу режиме квара које опште стопе корозије не предвиђају: корозија удубљења и пукотина од хлорида, корозија под напоном због напона затезања плус агресивно окружење и осетљивост услед топлоте заваривања.

Табела 5. Уобичајени начини квара изван опште корозије у хемијском постројењу нерђајућег челика.

Као груби водич из података добављача, сматра се да је 304 отпоран на корозију удубљења и пукотина у водама са до око 100 ппм хлорида, 316 до око 2.000 ппм и 317Л до око 5.000 ппм. Ово су основна правила, а температура, пукотине и киселост их могу нагло смањити.

Како израда и чишћење утичу на перформансе у хемијској служби?

Добар материјал и даље може пропасти ако је производња лоша. Користите нискоугљеничне разреде за заварену опрему, избегавајте контаминацију угљеничним челиком, кисели и пасивизирајте након заваривања и смањите стрес тамо где постоји ризик од пуцања нагриза или хлорида.

Топлота заваривања уклања заштитни филм и може да изазове осетљивост на високоугљеничне разреде, тако да су нискоугљеничне „Л“ класе стандардне за заварену хемијску опрему. Након израде, чишћења, уклањања каменца и пасивизације следите АСТМ А380 и А967. Гвожђе покупљено са алата или носача од угљеничног челика може зарђати и почети да се квари. Испитивање под притиском је такође важно: системи од нерђајућег челика се обично тестирају са водом са ниским садржајем хлорида, обично ограниченом на 50 ппм или мање, а затим се исцеде и осуше одмах да би се избегло пуцање удубљења и хлоридног напона. Ове тачке производње и тестирања важе за све наведене услуге киселина, алкалија и растварача.

Како можете користити овај водич за одабир?

Прорадите кроз пет питања по редоследу: шта је хемикалија и да ли оксидира или редукује, који су распони концентрације и температуре, које су нечистоће присутне, који напони и пукотине постоје и који је потребан век трајања и корозија. Затим проверите са подацима или тестовима купона.

Tспособан 6. Брзи избор полазних тачака. Ово су препоруке за скрининг, а не гаранције; потврдити са подацима о изо-корозији и испитивањем.

Када тражите понуду од добављача, наведите опсег хемикалија и концентрација, нормалне и поремећене температуре, нечистоће (хлориди, флуориди, сулфиди, оксиданти), услове притиска и стреса, потребан век трајања и поступке чишћења или стерилизације. Ово омогућава добављачу да препоручи праву класу, облик производа и топлотну обраду, као и да обезбеди сертификоване извештаје о испитивању млина и позитивну идентификацију материјала ради следљивости.

Често постављана питања

Не постоји једини најбољи разред. 316Л који одговара разблаженој, хладној киселини (око 22% на 20 степени према подацима о изокорозији), 904Л може да се користи у свим концентрацијама до око 35 степени, а легура 20 је дизајнирана за употребу сумпорне киселине. Хлориди и високе температуре захтевају веће легуре.

Може ли се нерђајући челик користити са хлороводоничном киселином?

Стандардне класе 304 и 316 нису отпорне на хлороводоничну киселину при било којој концентрацији или температури. Користите легуре никла и молибдена као што су C-276, тантал, цирконијум или неметалне и обложене системе.

Да ли је 316Л бољи од 304Л за азотну киселину?

Не. Азотна киселина оксидира, тако да хром помаже, а молибден не. 304Л се широко користи до концентрације од око 60% и атмосферске тачке кључања.

На којој температури каустична сода пуца на нерђајући челик?

Извори се разликују, од око 50–60 степени до око 93 степена, у зависности од концентрације, напрезања и нечистоћа као што је сулфид, који може смањити температуру пуцања на око 50 степени. Врућа, јака каустика боље се рукује никлом 200/201.

Да ли су органски растварачи корозивни за нерђајући челик?

Генерално не сами. Проблеми настају због воде, хлорида или хидролизе хлорисаних растварача, који могу да формирају хлороводоничну киселину. Одржавајте раствараче сувим и стабилизованим и преферирајте 316Л где могу бити присутни хлориди.

Шта вам ПРЕН каже?

ПРЕН рангира отпорност на хлоридну рупицу коришћењем хрома, молибдена и азота. Не предвиђа киселинску корозију или пуцање корозије под напоном.