Hastelloy G-30 dalam Evaporator Asam Fosfat: Data Kinerja Tabung Penukar Panas

Mengapa Hastelloy G-30 Dikhususkan untuk Tabung Evaporator Asam Fosfat?

Bahan kimia G-30 - kromium tinggi dengan molibdenum sedang dan penambahan tembaga - sengaja dirancang untuk menangani kombinasi spesifik kontaminan yang ditemukan dalam asam fosfat proses basah, dan Haynes International menamai tabung evaporator P2O5 sebagai salah satu dari dua aplikasi utama paduan tersebut.

Sumber: Lembar data komposisi nominal Haynes International, paduan HASTELLOY G-30.

Kandungan kromium yang tinggi memberikan G-30 ketahanan yang kuat terhadap karakter oksidasi asam proses basah dan terhadap campuran asam nitrat dan asam nitrat, sedangkan penambahan molibdenum dan tembaga memberikan ketahanan sedang terhadap asam pereduksi seperti asam klorida dan sulfat yang keduanya terdapat sebagai pengotor dalam asam fosfat komersial. Haynes International juga mencatat bahwa G-30 kurang rentan terhadap retak korosi akibat tegangan klorida dibandingkan baja tahan karat austenitik yang biasa digantikannya dalam layanan ini, yang penting secara langsung untuk bundel tabung yang mengalami siklus termal berulang selama penyalaan dan penghentian evaporator.

Apa yang Membuat-Proses Basah Asam Fosfat Sangat Korosif terhadap Tabung Evaporator?

Asam fosfat proses basah bersifat korosif terutama karena apa yang terlarut di dalamnya, bukan asam fosfat itu sendiri: asam sulfat yang tidak bereaksi, ion logam, ion fluorida, ion klorida, dan partikulat tersuspensi seperti silika semuanya ikut bersama dengan P2O5, dan di antaranya, ion klorida adalah pendorong dominan serangan elektrokimia yang menentukan masa pakai tabung.

Asam fosfat "proses{0}}basah" dibuat dengan mereaksikan batuan fosfat dengan asam sulfat, dan ketika diproduksi, asam fosfat hanya mengandung sekitar 30% P2O5 karena banyaknya volume air bilasan yang diperlukan untuk memisahkannya dari produk samping kalsium sulfat. Ion fluorida cenderung membentuk kompleks yang stabil dengan ion logam dalam larutan dan oleh karena itu kurang agresif terhadap bahan tabung dibandingkan ion klorida, yang sangat mempengaruhi reaksi elektrokimia antara asam dan permukaan logam. Inilah sebabnya pemilihan paduan untuk pipa evaporator lebih ditentukan oleh ketahanan korosi-lubang dan celah-klorida dibandingkan dengan kekuatan asam fosfat nominal asam saja.

Selama proses penguapan, konsentrasi P2O5 biasanya dinaikkan dari sekitar 30% hingga sekitar 54% melalui serangkaian tahapan evaporator. Konsentrasi yang lebih tinggi saja akan menunjukkan korosivitas yang lebih tinggi, namun Haynes International mencatat bahwa efek ini sebagian diimbangi karena tingkat pengotor - termasuk klorida yang paling penting - cenderung menurun seiring dengan semakin pekatnya asam.

Bagaimana Kinerja G-30 dalam Asam Proses-Basah Nyata, Bukan Hanya Asam Tingkat Reagen?

Haynes International mendukung data laboratorium tingkat-reagennya dengan-pengujian representatif di lapangan yang dilakukan dalam proses asam basah-yang dipasok oleh produsen fosfat Florida pada tiga konsentrasi produksi nyata (36%, 48%, dan 54% P2O5) dan 121 derajat (250 derajat F), yang secara langsung membandingkan G-30 dengan baja tahan karat pesaing dalam kondisi yang lebih dekat dengan evaporator yang beroperasi daripada uji gelas kimia tingkat reagen.

Perbedaan ini penting bagi siapa pun yang menentukan bahan tabung dari lembar data: tabel-korosi tingkat reagen (digunakan di seluruh artikel ini karena presisi dan kemampuan pengulangannya) mengisolasi pengaruh konsentrasi asam dan suhu saja, sedangkan asam proses-basah sebenarnya menambahkan beban fluorida, klorida, sulfat, dan partikulat yang dibahas di atas. Keputusan Haynes International untuk menjalankan-perbandingan asam nyata khusus pada konsentrasi-produksi yang relevan merupakan bagian dari uji tuntas yang berarti, dan itulah sebabnya G-30 memiliki rekam jejak yang asli dan tervalidasi di lapangan dalam aplikasi ini, bukan yang murni teoretis.

Data lapangan dan pabrik percontohan independen yang dilaporkan dalam paten proses asam fosfat menambah poin data jangka panjang lebih lanjut untuk keluarga paduan Hastelloy G yang lebih luas: dalam uji coba pencernaan batuan fosfat, impeler paduan Hastelloy G mencatat laju korosi sebesar 6,67 mil per tahun dibandingkan dengan 8,35 mil per tahun milik Alloy 625 dalam satu rangkaian kondisi pencernaan, dan 11,71 mpy dibandingkan 15,77 mpy untuk 625 dalam kondisi-potensi{10}}oksidasi yang lebih tinggi. Angka-angka ini menggambarkan paduan keluarga G-umumnya, bukan G-30 secara khusus, tetapi angka-angka ini menguatkan kesimpulan terarah yang sama yang ditunjukkan oleh data Haynes sendiri: paduan keluarga G-nikel-besi-kromium mampu bertahan dengan baik terhadap 625 di lingkungan produksi asam fosfat nyata, tidak hanya di laboratorium.

Bagaimana Laju Korosi G-30 Berubah seiring Meningkatnya Konsentrasi Asam Selama Penguapan?

Laju korosi G-30 dalam asam fosfat mendidih terus meningkat dari konsentrasi 50% hingga 85%, namun tetap rendah dan dapat dikelola (0,01-0,84 mm/y) di seluruh rentang yang akan terlihat oleh rangkaian evaporator, termasuk sekitar 54% titik akhir P2O5 yang umum pada konsentrasi proses basah komersial.

Sumber: tabel korosi asam fosfat tingkat reagen Haynes International, lembar data paduan HASTELLOY G-30.

Karena sebagian besar rangkaian proses-basah komersial menargetkan konsentrasi akhir sekitar 54% P2O5, perancang tabung dapat memperkirakan laju korosi tingkat reagen-G-30 akan berada pada kisaran 0,1-0,2 mm/y pada titik akhir tersebut - jauh dalam batas toleransi korosi yang sesuai untuk masa pakai desain tabung selama beberapa dekade, sebelum memperhitungkan risiko korosi lokal tambahan dari klorida yang dibahas di bawah.

Bagaimana G-30 Dibandingkan dengan 316L, 254SMO, dan Paduan 625 dalam Asam yang Relevan dengan Evaporator?

Plot komparatif Haynes International sendiri menempatkan G-30 di depan baja tahan karat 316L dan 254SMO dalam asam klorida dan asam sulfat, dan di depan Paduan 625 khususnya dalam asam klorida - namun Haynes menyatakan secara langsung bahwa garis G-30 sebesar 0,1 mm/y berada sedikit lebih tinggi daripada 625 dalam asam sulfat, yang berarti 625 memiliki keunggulan kecil di mana pun kontaminasi asam sulfat menjadi perhatian utama.

Ini adalah titik data yang berguna dan jujur ​​untuk pengambilan keputusan spesifikasi: G-30 tidak secara universal berada di depan setiap paduan yang bersaing dalam setiap asam yang mungkin ditemukan pada evaporator. Jika pengotor yang dominan adalah asam sulfat yang dibawa dari tahap pencernaan-batuan, Paduan 625 (atau-kromium HASTELLOY G-35 yang lebih tinggi, yang dibahas dalam artikel pendamping dalam seri ini) mungkin menawarkan sedikit tambahan margin. Jika asamnya lebih mendekati kimia proses basah murni dengan kandungan klorida yang khas, keseimbangan kromium, molibdenum, dan tembaga G-30 memberikan keunggulan nyata dibandingkan baja tahan karat dan 625 khususnya dalam asam klorida.

Apa Ketahanan G-30 terhadap Korosi Lubang dan Celah di Bawah Deposit?

Berdasarkan dua uji akselerasi standar yang digunakan untuk mensimulasikan klorida-kondisi kotor - Kematian Hijau dan Kematian Kuning - G-30 pertama-tama menunjukkan lubang pada 55 derajat dan serangan celah pada 45 derajat (Kematian Hijau) atau 25 derajat (Kematian Kuning), yang merupakan mode kegagalan yang paling sering dialami kumpulan tabung evaporator saat kerak dan padatan menumpuk di permukaan tabung.

Sumber: Data korosi lubang dan celah Haynes International (pengujian 24 jam), lembar data paduan HASTELLOY G-30.

Ini adalah kumpulan data yang paling relevan secara operasional dalam artikel ini. Resistensi asam curah, seperti yang ditunjukkan pada tabel konsentrasi di atas, menggambarkan apa yang terjadi pada permukaan tabung bersih yang terkena asam mengalir secara merata. Tabung evaporator yang sebenarnya mengakumulasi kerak, endapan kalsium sulfat, dan zona stagnan pada penyekat dan pelat pendukung - kondisi yang mengkonsentrasikan klorida secara lokal dan dapat memicu serangan lubang atau celah jauh di bawah suhu operasi nominal asam curah. Ambang batas korosi celah G-30 sebesar 25-45 derajat adalah margin yang berarti dan terukur di atas suhu pengoperasian evaporator pada umumnya untuk banyak desain, namun hal ini juga menggarisbawahi mengapa pembersihan mekanis berkala dan inspeksi pada endapan tetap menjadi praktik standar terlepas dari pemilihan paduannya.

Apakah G-30 Tahan Terhadap Retak Korosi Stres Klorida pada Servis Evaporator?

Ya - dalam uji mendidih standar magnesium klorida 45% (ASTM G36),G-30tahan retak selama 168 jam, kira-kira tujuh kali lebih lama dari 254SMO dan 84 kali lebih lama dari 316L, dan mengungguli dua paduan nikel perbandingan ('28' dan '31') yang diuji bersamaan.

Sumber: Haynes International stress-data retak korosi (mendidih 45% MgCl2, ASTM G36), lembar data paduan HASTELLOY G-30.

Ketahanan SCC penting untuk bundel tabung evaporator karena menggabungkan dua dari tiga bahan. SCC memerlukan - bahan yang rentan terhadap tegangan tarik (dari siklus termal, penggulungan ke dalam lembaran tabung, atau tegangan las sisa) yang terkena lingkungan yang mengandung klorida-. Ambang batas waktu G-30 yang kira-kira 168 jam dalam pengujian yang jauh lebih parah daripada kondisi servis pada umumnya memberi perancang tabung margin keamanan yang substansial dan terukur dibandingkan baja tahan karat yang paling sering dianggap sebagai alternatif berbiaya lebih rendah.

Bagaimana Pengelasan Mempengaruhi-Lapisan dan Tabung-terhadap-Ketahanan Korosi Tubesheet?

Laju korosi semua-las-logam G-30 tetap mendekati logam dasar tempa di sebagian besar kondisi asam sulfat dan asam klorida yang relevan dengan layanan evaporator, dengan pengecualian asam sulfat 90%, yang mana logam las dan logam dasar tempa menunjukkan kenaikan yang tajam dan seimbang - artinya peningkatan tersebut mencerminkan batas kimia asli dan bukan kelemahan las.

Sumber: Haynes International semua-data las-logam (multi-pass GMAW) vs. data korosi logam dasar tempa-, lembar data paduan HASTELLOY G-30.

Untuk bundel tabung evaporator yang dibuat dari tabung las (ASTM B619/B626) atau memerlukan las tabung-ke-tubesheet, data ini mendukung penetapan G-30 tanpa penurunan peringkat selimut untuk zona las di sebagian besar kondisi asam yang dimaksudkan untuk paduan tersebut. Hasil asam sulfat 90% mengingatkan bahwa G-30, seperti G-35, bukanlah pilihan yang tepat jika sisa asam sulfat tanaman secara teratur mencapai konsentrasi tersebut di dinding tabung - suatu kondisi di mana tabung kromium G-35 625 atau lebih tinggi akan menjadi spesifikasi yang lebih konservatif.

Bagaimana Konduktivitas Termal G-30 Mempengaruhi Desain Tabung Penukar Panas?

Konduktivitas termal G-30 (sekitar 10 W/m· derajat pada suhu kamar, meningkat menjadi sekitar 19-21 W/m· derajat pada 400-600 derajat ) jauh di bawah paduan tembaga dan bahkan baja karbon, sehingga area perpindahan panas dan ketebalan dinding tabung harus disesuaikan dengan mempertimbangkan konduktivitas paduan tersebut - namun trade-off ini secara substansial diimbangi oleh konduktivitas termal yang sangat tipis. tunjangan korosi G-30 memungkinkan dibandingkan dengan dinding yang lebih tebal, paduan yang kurang tahan dan lebih murah akan dibutuhkan.

Sumber: Data properti fisik Haynes International, lembar data paduan HASTELLOY G-30.

Ini benar-benar merupakan pengorbanan-rekayasa, bukan poin pemasaran yang perlu diabaikan: dinding tabung besi-kromium-nikel akan menghantarkan panas dengan kurang efisien dibandingkan dengan-ketebalan paduan tembaga atau tabung baja karbon yang sebanding, dan desain termal penukar panas (jumlah tabung, panjang, atau ketebalan dinding) harus memperhitungkan hal tersebut secara langsung dalam perhitungan-perpindahan panas. Dalam praktiknya, perancang evaporator mengimbangi hal ini dengan memanfaatkan ketahanan korosi G-30 untuk menentukan dinding tabung yang lebih tipis daripada yang diperlukan oleh desain baja karbon atau paduan yang lebih rendah, yang memulihkan sebagian penalti perpindahan panas dari konduktivitas yang lebih rendah sekaligus tetap memberikan masa pakai beberapa dekade tanpa margin ketebalan dinding yang diperlukan ketahanan korosi pada bahan yang kurang tahan.

Bentuk dan Standar Produk Tabung Apa yang Berlaku pada Tabung Evaporator G-30?

Tabung evaporator G-30 tersedia dalam bentuk tabung mulus berdasarkan ASTM/ASME B622/SB622 dan tabung las berdasarkan ASTM/ASME B619/B626 dan SB619/SB626, disuplai-dengan anil pabrik, dan harus di-anil ulang setelah operasi-pembentukan{10}}dingin atau-pembengkokan tabung yang menghasilkan Pemanjangan serat luar 7% atau lebih untuk mengembalikan ketahanan korosi penuh.

Sumber: Tabel "Spesifikasi dan Kode" Haynes International, lembar data paduan HASTELLOY G-30.

Suhu anil untuk G-30 adalah 1.177 derajat (2.150 derajat F) dengan pendinginan air disarankan, meskipun pendinginan udara cepat dapat dilakukan untuk struktur yang lebih tipis dari 10 mm (0,375 inci) - kategori yang mencakup sebagian besar ketebalan dinding tabung evaporator. G-30 lebih kaku dibandingkan baja tahan karat austenitik dan lebih mudah mengeras, yang penting secara langsung untuk operasi pembengkokan dan perluasan tabung selama fabrikasi bundel dan harus direncanakan dalam urutan produksi.

Apa Desain Praktis dan Batas Pengoperasian Tabung Evaporator G-30?

G-30 berkinerja andal pada rentang konsentrasi penuh P2O5 30-54% dan hingga 121 derajat dalam asam proses basah-asli, namun perancang harus memperhitungkan kontaminasi klorida lokal - bukan kekuatan asam curah - sebagai batasan desain yang mengatur, dan harus memperhatikan secara khusus lonjakan laju korosi yang tajam yang ditunjukkan oleh data asam klorida G-30 pada tingkat perantara tertentu kombinasi konsentrasi dan suhu.

Tabel asam klorida Haynes International menunjukkan laju korosi meningkat tajam pada beberapa kondisi antara - misalnya, 2,5% HCl pada 93 derajat (200 derajat F) melonjak menjadi 4,23 mm/y, dan titik didih 2-2,5% HCl mencapai 9,47-12,67 mm/y - jauh di atas laju yang terjadi di sumur-baik pada tingkat yang lebih rendah maupun lebih tinggi konsentrasi di dekatnya. Perilaku non-monotonik semacam ini merupakan pengingat bahwa diagram iso-korosi dan tabel konsentrasi harus dibaca berdasarkan kimia asam lokal aktual yang diharapkan terjadi pada dinding tabung (termasuk efek konsentrasi apa pun dari pendidihan atau penguapan tepat di permukaan), bukan hanya konsentrasi proses curah nominal.

• Panduan desain dan pengoperasian:Lacak tingkat pengotor klorida dan-asam sulfat-bebas dalam asam proses, karena - bukan konsentrasi nominal P2O5 - inilah yang sebenarnya mendorong risiko korosi tabung.
• Panduan desain dan pengoperasian:Jadwalkan pembersihan dan inspeksi mekanis secara berkala pada kerak dan endapan, karena ambang batas korosi celah G-30 (25-45 derajat dalam pengujian yang dipercepat) dapat dicapai jika pengotoran mengkonsentrasikan klorida secara lokal.
• Panduan desain dan pengoperasian:Hindari desain yang mengkonsentrasikan asam klorida secara lokal hingga kisaran 2-3% pada suhu tinggi, karena data G-30 sendiri menunjukkan lonjakan laju korosi yang tidak proporsional.
• Panduan desain dan pengoperasian:Jika sisa asam sulfat sangat tinggi atau biasanya mendekati konsentrasi 90% di dinding tabung, evaluasi Alloy 625 atau HASTELLOY G-35 sebagai alternatif yang lebih konservatif.
• Panduan desain dan pengoperasian:Re-anil pipa setelah operasi-pembentukan atau pembengkokan dingin yang melebihi sekitar 7% pemanjangan serat luar-untuk sepenuhnya memulihkan ketahanan terhadap korosi sebelum dioperasikan.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Q: Mengapa Hastelloy G-30 digunakan untuk tabung evaporator asam fosfat?

A: Kandungan kromium G-30 yang tinggi menolak karakter oksidasi dari kontaminasi asam fosfat proses basah dan asam nitrat, sedangkan kandungan molibdenum dan tembaganya menahan pengotor asam sulfat yang ada di setiap aliran proses basah. Haynes International menyebut tabung evaporator P2O5 sebagai salah satu dari dua aplikasi utama paduan ini, yang didukung oleh pengujian asam proses basah tingkat reagen dan nyata.

T: Apakah ketahanan korosi G-30 bertahan pada konsentrasi P2O5 54% penuh yang digunakan dalam evaporator komersial?

A: Ya. Data asam fosfat didih tingkat reagen menunjukkan laju korosi G-30 hanya meningkat secara bertahap di seluruh rentang konsentrasi, tetap berada di kisaran 0,1-0,2 mm/y sekitar 54-60% P2O5 - dalam batas desain yang sesuai.

Q: Apa risiko korosi terbesar pada tabung G-30 pada layanan evaporator?

A: Korosi lubang dan celah yang disebabkan oleh klorida-di bawah kerak dan endapan, bukan serangan asam yang seragam pada permukaan yang bersih. Uji akselerasi standar menunjukkan ambang batas korosi lubang dan celah G-30 pada 25-55 derajat , itulah sebabnya pembersihan dan inspeksi berkala pada kondisi pengotoran tetap penting, apa pun pilihan paduannya.

T: Apakah Hastelloy G-30 lebih baik daripada Alloy 625 untuk evaporator asam fosfat?

A: Itu tergantung pada pengotor mana yang mendominasi. Data perbandingan Haynes International sendiri menunjukkan G-30 lebih unggul dari 625 dalam asam klorida, namun 625 lebih unggul dalam asam sulfat. Jika sisa asam sulfat sangat tinggi, 625 atau kromium HASTELLOY G-35 yang lebih tinggi mungkin merupakan spesifikasi yang lebih konservatif.

T: Apakah pengelasan mengurangi ketahanan korosi G-30 pada fabrikasi tabung evaporator?

A: Umumnya tidak. Data-logam las-versus-tempa yang dipublikasikan hanya menunjukkan perbedaan kecil pada sebagian besar kondisi asam sulfat dan asam klorida yang relevan dengan layanan evaporator, dengan logam las dan logam dasar tempa menunjukkan kenaikan yang disesuaikan,-kimiawi hanya pada kondisi paling parah yang diuji (asam sulfat 90%).

T: Bagaimana konduktivitas termal G-30 dibandingkan dengan bahan tabung penukar panas lainnya?

A: Konduktivitas termal G-30 (sekitar 10 W/m· derajat pada suhu kamar) jauh di bawah paduan tembaga dan baja karbon, sehingga area perpindahan panas-harus disesuaikan ukurannya. Dalam praktiknya, hal ini sebagian diimbangi karena ketahanan terhadap korosi G-30 memungkinkan dinding tabung yang lebih tipis dibandingkan dengan paduan yang kurang tahan untuk masa pakai yang sama.