Hastelloy: Giải pháp tối ưu cho chống ăn mòn cực đoan trong xử lý hóa chất

Một nhà máy hóa chất không bị hỏng vì axit mạnh. Nó bị hỏng vì trạng thái oxy hóa của quy trình đã thay đổi, vì vài trăm phần triệu ion sắt III lọt vào đường ống, hoặc vì một miếng đệm để lại một khe hở giữ chất lỏng trong sáu tuần. Hợp kim được chọn cho nhiệm vụ thường vẫn là hợp kim phù hợp, và nó đang được yêu cầu hoạt động trong một môi trường mà thông số kỹ thuật chưa bao giờ mô tả.

Hastelloy là một họ hợp kim niken chứ không phải là một kim loại, và các mác trong đó nằm ở hai phía đối diện của cùng một câu hỏi. B-2 và B-3 là hợp kim niken-molypden với khoảng 1% crom, được chế tạo cho axit khử. C-276 và C-22 chứa lần lượt 16% và 22% crom và bao phủ cả nhiệm vụ oxy hóa và khử ở các mức độ khác nhau. Một trang liệt kê B-2 và C-276 cùng nhau như các mác chống lại clo ướt đã hợp nhất hai câu trả lời đối lập thành một câu, và người mua tuân theo nó sẽ đặt một hợp kim molypden vào một đường ống oxy hóa.

Trang này trình bày bốn mác thực hiện hầu hết các công việc trong quy trình hóa học, bốn biến số quyết định xem một mác có tồn tại hay không, và dữ liệu thực địa cho thấy các câu trả lời có thể khác nhau đến mức nào trong cùng một loại axit danh nghĩa.

Thành phần quyết định hành vi, và con số crom là con số đầu tiên cần đọc. Hợp kim niken-molypden với 1% crom không có cách nào tạo ra màng oxit crom bảo vệ, vì vậy nó hoạt động trong axit khử và không có khả năng phòng vệ trong môi trường oxy hóa. Hợp kim niken-crom-molypden với 16 đến 22% crom tạo ra màng đó, và lượng molypden phía sau nó quyết định mức độ mác xử lý tốt các clorua và điều kiện khử cùng một lúc.

Hai mác B khác nhau về độ ổn định chứ không phải về hóa học. Cả hai đều là hợp kim niken-molypden và cả hai đều không phù hợp với dịch vụ oxy hóa. B-3 tồn tại vì mức molypden trong họ B có xu hướng tạo ra các pha khác ngoài pha lập phương tâm mặt gamma dự kiến trong khoảng 500-900°C, và pha gây hại nhất trong số đó là Ni4Mo, hình thành nhanh chóng ở một số nhiệt độ nhất định, ảnh hưởng đến độ dẻo và giảm khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất. B-2 hình thành Ni4Mo nhanh chóng ở khoảng 750°C, trong khi B-3 mất vài giờ ở khoảng 650°C để phát triển các pha thứ cấp có hại, vì các nguyên tố vi lượng và mức molypden đã được dịch chuyển để ưu tiên Ni3Mo hình thành chậm hơn.

Câu hỏi đầu tiên về một dòng hóa chất không phải là pH và không phải là nồng độ của nó. Đó là liệu dòng chảy có thể chấp nhận electron hay không, và câu trả lời quyết định nửa nào của họ là đủ điều kiện. Bảng đặt các phương tiện quy trình phổ biến trên trục đó.

Hai mục trong bảng đó là những mục gây tốn kém thiết bị. Axit nitric và clo ướt là chất oxy hóa mạnh, và cả hai mác B đều bị loại trừ khỏi chúng bởi cùng một cơ chế: với 1% crom không có màng thụ động để hình thành, do đó hợp kim hòa tan với tốc độ do chất oxy hóa quyết định, không có oxit để bảo vệ nó. Mục thứ hai tinh tế hơn, bởi vì một axit khử tinh khiết trở thành một axit oxy hóa khi nó mang tạp chất vết không mong muốn, và đó là chủ đề của phần tiếp theo.

Một thử nghiệm ăn mòn trong axit cấp thuốc thử mô tả một môi trường hiếm khi tồn tại trong nhà máy. Các dòng quy trình mang oxy hòa tan, ion sắt III từ thiết bị thượng nguồn, ion đồng II từ chất xúc tác và clorua từ nước làm mát. Các loài đó thay đổi điện thế oxy hóa của dòng chảy, và sự thay đổi điện thế di chuyển hợp kim từ phía này sang phía kia của họ mà không có bất kỳ thay đổi nào về nồng độ axit.

Dữ liệu thực địa được công bố cho thấy quy mô của hiệu ứng. Trong một lò phản ứng xử lý 10-15% axit sulfuric với chất rắn và tạp chất ở 100°C trong mười hai tháng, bốn vật liệu đã hòa tan hoàn toàn: thép không gỉ loại 316L, Carpenter 20Cb-3, hợp kim 825 và Hastelloy B-2, mỗi loại với tốc độ trên 57 mpy. Hợp kim 625 và C-276 tồn tại với sự tấn công nghiêm trọng ở mức 29 và 28 mpy. C-22 mất 4.7 mpy và cho thấy sự tấn công nhẹ. Axit là cùng một loại axit danh nghĩa trong mọi trường hợp, và xếp hạng vật liệu trải dài hơn một bậc độ lớn.

Hiệu ứng tương tự xuất hiện trong một bộ phận hàn. Trong dung dịch 11% axit sulfuric với 3.9% sắt sulfat và các hóa chất khác ở 150°C dưới áp suất oxy, C-276 bị tấn công nghiêm trọng bất thường trên kim loại cơ bản, kim loại hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, và chỉ một phần ba độ dày mẫu trong vùng ảnh hưởng nhiệt còn tồn tại. C-22 cho thấy sự tấn công tối thiểu trong các điều kiện tương tự. Ion sắt III cung cấp điện thế oxy hóa, và mức crom của mác quyết định kết quả.

Hướng dẫn thực tế tiếp theo là thử nghiệm mẫu trong axit cấp thuốc thử là điểm khởi đầu chứ không phải là sự chấp thuận. Nhà sản xuất dòng C cũng đưa ra vị trí tương tự và khuyến nghị các mẫu được thử nghiệm trong điều kiện nhà máy thực tế. Việc lựa chọn hợp kim chưa xem xét dòng chảy thực tế, với oxy và ion kim loại của nó, đã được đánh giá dựa trên một môi trường sẽ không có mặt.

Tốc độ ăn mòn đồng đều là con số mà bảng dữ liệu báo cáo, và ăn mòn cục bộ là cơ chế làm thủng bình chứa. Thước đo tiêu chuẩn là nhiệt độ ăn mòn rỗ tới hạn và nhiệt độ ăn mòn khe kẽ tới hạn trong dung dịch 6% sắt III clorua axit hóa theo ASTM G48, và khoảng cách giữa hai con số cho một hợp kim duy nhất là khoảng cách giữa bề mặt đã thoát nước và đường gioăng.

Đọc hàng C-276 so với hàng C-22. Cả hai mác đều chống ăn mòn rỗ trên 150°C trong thử nghiệm này, vì vậy một thông số kỹ thuật được viết chỉ dựa trên ăn mòn rỗ sẽ coi chúng là tương đương. Nhiệt độ khe kẽ là 55°C và 102°C, và một khớp nối bích ở 70°C nằm trong khoảng đó. Mác vượt qua bài kiểm tra ăn mòn rỗ vẫn có thể bị hỏng ở gioăng, và con số dự đoán nó là con số mà bảng dữ liệu hiếm khi trích dẫn.

Một lưu ý cần được đưa vào cùng đoạn. Bản tin C-276 đưa ra nhiệt độ ăn mòn khe kẽ tới hạn là 55°C cho hợp kim đó, và bản tin C-22 đưa ra 80°C cho cùng một hợp kim trong cùng một thử nghiệm. Cả hai đều được xuất bản bởi cùng một nhà sản xuất. Một dự án phụ thuộc vào biên độ khe kẽ gần bất kỳ con số nào trong số này nên thử nghiệm hình học khớp nối của riêng mình thay vì áp dụng một con số từ tài liệu quảng cáo.

Nước biển mang cơ chế tương tự vào các nhà máy hóa chất sử dụng nó làm chất làm mát. Trong một nghiên cứu của Hải quân Hoa Kỳ ở 29°C, C-276 đã được thử nghiệm trong nước biển tĩnh và chảy trong 180 ngày với hai vị trí khe kẽ mỗi mẫu. Dữ liệu nằm cùng với loại 316L và 254 SMO trong cùng một bản tin, và mô hình là mô hình mà bảng nhiệt độ dự đoán: thép không gỉ bị ăn mòn trong cả hai điều kiện, và hợp kim niken phụ thuộc vào dòng chảy và hình dạng của vị trí.

Một hợp kim đủ điều kiện ở 40°C có thể không đủ điều kiện ở 80°C trong cùng một loại axit, và biểu đồ đẳng tốc ăn mòn là công cụ cho thấy giới hạn nằm ở đâu. Các số liệu dưới đây là nồng độ và nhiệt độ mà tại đó tốc độ ăn mòn 0.1 mm/y được dự kiến trong axit cấp thuốc thử, lấy từ biểu đồ nhà sản xuất cho C-276 và B-3.

Cột axit clohydric là tuyên bố rõ ràng nhất về những gì mác B mang lại. Ở axit 10%, C-276 chỉ giữ được 0.1 mm/y ở 30°C, trong khi B-3 vẫn dưới tốc độ đó cho đến điểm sôi. So sánh tương tự trong axit sulfuric gần hơn nhiều, bởi vì C-276 có đủ crom và molypden để xử lý hầu hết axit đó dưới 90%.

Vị trí axit nitric lại khác và đáng để nêu rõ, bởi vì nó mâu thuẫn với một giả định phổ biến về các mác C. Trong bản tin C-276, một đường 0.5 mm/y trong axit nitric nằm ở 208°C cho axit 10%, 216°C cho 20%, và 224°C cho 30%. Do đó, C-276 xử lý axit nitric loãng ở nhiệt độ vừa phải, và mác bị loại trừ khỏi axit nitric là B-2 hoặc B-3, không phải C-276. Những gì C-276 không xử lý được là dòng axit nitric cũng mang clorua hoặc chất oxy hóa mạnh ở nhiệt độ cao, nơi mà hàm lượng crom cao hơn của C-22 là lý do nó tồn tại.

Sự cố ăn mòn tập trung ở các mối hàn, và bốn mác khác nhau về mức độ mối hàn thay đổi câu trả lời. C-22 chống lại sự hình thành các kết tủa biên hạt trong vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn và phù hợp với hầu hết các công việc quy trình hóa học ở trạng thái đã hàn. C-276 có dung sai thấp hơn cho tình huống tương tự trong môi trường oxy hóa mạnh, như trường hợp sắt sulfat ở trên cho thấy. Các mác B mang một quy tắc chế tạo nghiêm ngặt hơn bất kỳ mác nào.

B-3 phải được ủ dung dịch trước khi hàn bất cứ khi nào biến dạng nguội vượt quá khoảng 7% độ giãn dài sợi ngoài. Nếu không có quá trình ủ này, hợp kim sẽ rất dễ bị nứt ở vùng hàn trong quá trình chế tạo tiếp theo, và nhà sản xuất lưu ý rằng vết nứt có thể không rõ ràng cho đến khi bộ phận được đưa vào sử dụng. Nhiệt độ ủ là 1.066°C với làm nguội bằng nước, và giữ trong 10 đến 30 phút tùy thuộc vào độ dày. Các đầu được tạo hình được ủ sau khi tạo hình bất kể mức độ biến dạng, và quy tắc đó quan trọng nhất khi đầu được hàn sau đó.

C-276 mang một hướng dẫn tương tự với một con số khác: ủ lại sau bất kỳ hoạt động tạo hình nguội nào tạo ra 7% hoặc nhiều hơn độ giãn dài sợi ngoài, và ủ lại sau tất cả các hoạt động tạo hình nóng. Nhiệt độ ủ là 1.121°C với làm nguội bằng nước, và làm nguội bằng không khí nhanh chóng có thể thực hiện được dưới 10 mm độ dày. Hai nhiệt độ khác nhau 55°C, và một xưởng coi các hợp kim niken như một họ sẽ sử dụng sai nhiệt độ.

Hàn hồ quang chìm không được khuyến nghị cho C-22, vì quy trình này áp dụng nhiệt đầu vào cao cho kim loại cơ bản và làm nguội mối hàn chậm. Đó là một hạn chế quy trình chứ không phải là vấn đề vật liệu phụ, và nó thuộc về đặc tả quy trình hàn trước khi nhà chế tạo báo giá.

Mỗi mác được đặt hàng theo thông số kỹ thuật sản phẩm chi phối dạng, và bốn mác không chia sẻ một số thông số kỹ thuật duy nhất.

Cột vật liệu phụ trợ giải thích một chế độ lỗi mà người mua gặp phải sau thực tế. Một bộ phận chế tạo C-22 được hàn bằng vật liệu phụ trợ C-276 có lớp phủ hàn chứa 16% crom trong một bộ phận được thiết kế dựa trên 22%, và mối hàn trở thành điểm yếu nhất trong dòng oxy hóa. C-22 cũng được sử dụng có chủ đích làm vật liệu phụ trợ tổng hợp trên các kim loại cơ bản khác, và các thử nghiệm hàn được công bố cho thấy lựa chọn đó làm giảm tốc độ ăn mòn của mối hàn 625 từ 100 mpy xuống 94 mpy trong dung dịch tẩy rửa clorua và fluoride, và của mối hàn AL-6XN từ 112 xuống 72 mpy. Vật liệu phụ trợ là một phần của thiết kế chống ăn mòn.

Tám mục dưới đây là sự khác biệt giữa báo giá cho một kim loại và báo giá cho một bộ phận sẽ tồn tại trong đường ống.

DLX cung cấp các họ B và C từ Trường Châu, Giang Tô: B-2, B-3, C-276 và C-22 dưới dạng dây từ 0.025 mm, thanh tròn đến 50 mm, dải từ 0.50 mm đến 2.5 mm độ dày, và ống và tấm theo kích thước nhà máy tiêu chuẩn. Mỗi mác được cung cấp theo thông số kỹ thuật ASTM chi phối dạng, với chứng nhận EN 10204 3.1 theo yêu cầu và số lô có thể truy xuất nguồn gốc đến kết quả thử nghiệm.

Cuộc trò chuyện hữu ích là về dòng chảy chứ không phải tên mác. Một đường ống được sục khí mỗi năm một lần, một miếng đệm giữ chất lỏng sau khi ngừng hoạt động và một đầu được tạo hình nguội được hàn mà không ủ là ba điều kiện mà không mác nào có thể hấp thụ, và mỗi điều kiện này rẻ hơn để khắc phục trước khi đặt hàng so với sau lần kiểm tra đầu tiên.

Không. B-2 là hợp kim niken-molypden với tối đa 1% crom, và nhà sản xuất cho biết nó không nên được sử dụng trong môi trường có tác nhân oxy hóa hoặc trong môi trường khử bị nhiễm muối oxy hóa như sắt III oxit, vì các hóa chất đó làm tăng tốc độ ăn mòn của nó đáng kể. Clo ướt là chất oxy hóa mạnh. Mác cho nhiệm vụ đó là C-22, mà nhà sản xuất mô tả là có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời đối với môi trường nước oxy hóa bao gồm cả clo ướt.

C-22, khi dòng chảy mang chất oxy hóa, và dữ liệu thực địa được công bố là trực tiếp về điều đó. Trong 10-15% axit sulfuric với chất rắn và tạp chất ở 100°C, C-276 mất 28 mpy với sự tấn công nghiêm trọng trong khi C-22 mất 4.7 mpy với sự tấn công nhẹ. Trong axit sulfuric có sắt sulfat ở 150°C dưới oxy, C-276 bị tấn công qua hai phần ba vùng ảnh hưởng nhiệt và C-22 hầu như không bị ảnh hưởng. C-276 giữ lợi thế trong axit khử mạnh, nơi mà molypden cao hơn của nó quan trọng hơn crom.

Bởi vì hai nhà máy không chạy cùng một môi trường. Axit khử tinh khiết phù hợp với B-2, và cùng loại axit đó với oxy hòa tan, ion sắt III hoặc ion đồng II trở thành oxy hóa và hòa tan hợp kim. Trường hợp lò phản ứng ở trên đã mất hoàn toàn một mẫu B-2 trong 10-15% axit sulfuric mang chất rắn và tạp chất, với tốc độ trên 57 mpy, trong khi cùng loại axit danh nghĩa trong dòng chảy sạch là nhiệm vụ tiêu chuẩn của B-2.

Có ở nồng độ thấp và nhiệt độ vừa phải, và biểu đồ đẳng tốc ăn mòn là tài liệu tham khảo. Trong bản tin C-276, đường 0.5 mm/y nằm ở 208°C cho 10% axit nitric, 216°C cho 20%, và 224°C cho 30%. Các mác bị loại trừ khỏi axit nitric là B-2 và B-3, bởi vì hợp kim niken-molypden không có crom để tạo màng thụ động mà axit nitric yêu cầu. Dòng axit nitric có clorua hoặc chất oxy hóa mạnh ở nhiệt độ cao là nơi C-22 trở thành lựa chọn tốt hơn.

Độ ổn định cấu trúc, và số hiệu bộ phận không thể hiện điều đó. Cả hai đều là hợp kim niken-molypden với khoảng 1.5% crom. B-2 hình thành pha Ni4Mo có hại nhanh chóng ở khoảng 750°C, trong khi B-3 mất vài giờ ở khoảng 650°C để phát triển các pha thứ cấp có hại, bởi vì các nguyên tố vi lượng và mức molypden của nó đã được điều chỉnh để ưu tiên Ni3Mo hình thành chậm. Hậu quả thực tế là B-3 chịu được các sai lệch trong chế tạo và sử dụng mà sẽ làm giòn B-2.

Nó có thể được hàn, và mối hàn trở thành điểm yếu. C-22 chứa 22% crom và C-276 chứa 16%, vì vậy lớp phủ C-276 trong bộ phận chế tạo C-22 làm giảm lượng crom có sẵn tại mối nối trong chính dịch vụ oxy hóa mà crom cao hơn là lý do cho mác đó. Vật liệu phụ trợ tương ứng với C-22 là ERNiCrMo-10 cho hàn hồ quang vonfram khí và hàn hồ quang kim loại khí, và ENiCrMo-10 cho hàn hồ quang kim loại bọc.

Các mác Hastelloy được phân tách trước tiên theo hàm lượng crom, và sau đó theo molypden và độ ổn định. B-2 và B-3 chứa khoảng 1.5% crom và hoạt động trong axit khử, không có khả năng phòng vệ chống lại chất oxy hóa. C-276 chứa 16%, C-22 chứa 22%, và sự khác biệt giữa hai con số đó là sự khác biệt giữa