Hastelloy G-30 en evaporadores de ácido fosfórico: datos de rendimiento del tubo intercambiador de calor

¿Por qué se especifica Hastelloy G-30 para tubos evaporadores de ácido fosfórico?

La química del G-30 - alto contenido de cromo con molibdeno moderado y una adición de cobre - fue diseñada deliberadamente para manejar la combinación específica de contaminantes que se encuentran en el ácido fosfórico de proceso húmedo, y Haynes International nombra los tubos evaporadores de P2O5 como una de las dos aplicaciones principales de la aleación.

Fuente: Hoja de datos de composición nominal de Haynes International, aleación HASTELLOY G-30.

El alto contenido de cromo le da al G-30 una fuerte resistencia al carácter oxidante del ácido de proceso-húmedo y al ácido nítrico y a las mezclas de ácido nítrico-, mientras que sus adiciones de molibdeno y cobre le dan una resistencia moderada a los ácidos reductores como el clorhídrico y el sulfúrico -, ambos presentes como impurezas en el ácido fosfórico comercial. Haynes International también señala que el G-30 es menos susceptible al agrietamiento por corrosión bajo tensión inducido por cloruro que los aceros inoxidables austeníticos que comúnmente reemplaza en este servicio, lo que importa directamente para los haces de tubos que experimentan ciclos térmicos repetidos durante el arranque y apagado del evaporador.

¿Qué hace que el ácido fosfórico de proceso húmedo sea tan corrosivo para los tubos del evaporador?

El ácido fosfórico de proceso húmedo-es corrosivo principalmente debido a lo que se disuelve en él, no al ácido fosfórico en sí: el ácido sulfúrico sin reaccionar, los iones metálicos, los iones de fluoruro, los iones de cloruro y las partículas suspendidas como la sílice viajan junto con el P2O5, y de estos, los iones de cloruro son el impulsor dominante del ataque electroquímico que determina la vida útil del tubo.

El ácido fosfórico de "proceso{0}}húmedo" se elabora haciendo reaccionar roca fosfórica con ácido sulfúrico y, tal como se produce, contiene solo aproximadamente un 30 % de P2O5 debido al gran volumen de agua de enjuague necesaria para separarlo del subproducto sulfato de calcio. Los iones fluoruro tienden a formar complejos estables con iones metálicos en solución y, por lo tanto, son menos agresivos con los materiales de los tubos que los iones cloruro, que influyen fuertemente en las reacciones electroquímicas entre el ácido y la superficie del metal. Esta es la razón por la que la selección de aleaciones para las tuberías del evaporador depende más de la resistencia a la corrosión por cloruro-picaduras y grietas-que por la resistencia nominal del ácido fosfórico del ácido únicamente.

Durante el proceso de evaporación, la concentración de P2O5 generalmente aumenta desde aproximadamente el 30 % hasta aproximadamente el 54 % a lo largo de una serie de etapas del evaporador. Una concentración más alta por sí sola sugeriría una mayor corrosividad, pero Haynes International señala que este efecto se compensa en parte porque los niveles de impureza -, incluidos los cloruros que más importan -, tienden a disminuir a medida que el ácido se vuelve más concentrado.

¿Cómo funciona el G-30 en un ácido de proceso-realmente húmedo, no solo en un ácido de grado reactivo?

Haynes International respalda sus datos de laboratorio de grado-reactivo con pruebas-representativas de campo realizadas en ácido de proceso-húmedo real suministrado por un productor de fosfato de Florida en tres concentraciones de producción reales (36%, 48% y 54% P2O5) y 121 grados (250 grados F), comparando directamente el G-30 con aceros inoxidables de la competencia en condiciones mucho más cercanas a un evaporador operativo que a un grado reactivo. prueba del vaso de precipitados.

Esta distinción es importante para cualquiera que especifique el material del tubo a partir de una hoja de datos: las tablas de corrosión de grado-de reactivos (utilizadas en este artículo por su precisión y repetibilidad) aíslan el efecto de la concentración de ácido y la temperatura únicamente, mientras que el ácido de proceso-húmedo real agrega el fluoruro, el cloruro, el sulfato y la carga de partículas discutidos anteriormente. La decisión de Haynes International de realizar una comparación específica de ácido-real en concentraciones relevantes para la producción-es una pieza significativa de debida diligencia, y es por eso que G-30 tiene un historial genuino y validado en campo en esta aplicación en lugar de uno puramente teórico.

Los datos independientes de planta-piloto y de campo reportados en patentes de proceso de ácido-fosfórico agregan un punto de datos adicional-a más largo plazo para la familia más amplia de aleaciones Hastelloy G: en pruebas de digestión de roca fosfórica, un impulsor de aleación Hastelloy G registró una tasa de corrosión de 6,67 mils por año contra las 8,35 mils por año de la aleación 625 bajo un conjunto de condiciones de digestor, y 11,71 mpy contra 15,77 mpa para 625 en condiciones de mayor potencial de-oxidación-. Estas cifras describen la aleación general de la familia G-en lugar de la G-30 específicamente, pero corroboran la misma conclusión direccional que muestran los propios datos de Haynes: las aleaciones de níquel-cromo-hierro de la familia G-se resisten bien frente a 625 en entornos reales de producción de ácido fosfórico, no solo en el laboratorio.

¿Cómo cambia la tasa de corrosión del G-30 a medida que aumenta la concentración de ácido durante la evaporación?

La tasa de corrosión del G-30 en ácido fosfórico en ebullición aumenta constantemente desde una concentración del 50% al 85%, pero se mantiene baja y manejable (0,01-0,84 mm/y) en todo el rango que verá un tren de evaporadores, incluido el punto final de aproximadamente 54% de P2O5 típico de la concentración de proceso húmedo comercial.

Fuente: Tabla de corrosión del ácido fosfórico de grado reactivo-de Haynes International, hoja de datos de la aleación HASTELLOY G-30.

Dado que la mayoría de los trenes de procesos-húmedos comerciales tienen como objetivo una concentración final de alrededor del 54 % de P2O5, los diseñadores de tubos pueden esperar que la velocidad de corrosión del grado del reactivo-G-30 se ubique en el rango de 0,1-0,2 mm/año en ese punto final - muy dentro de un margen de corrosión cómodo para una vida útil de diseño de tubos de varias décadas, antes de tener en cuenta el riesgo adicional de corrosión localizada de los cloruros que se analiza a continuación.

¿Cómo se compara el G-30 con el 316L, el 254SMO y la aleación 625 en ácidos relevantes para el evaporador?

Los propios gráficos comparativos de Haynes International colocan al G-30 por delante del acero inoxidable 316L y 254SMO tanto en ácido clorhídrico como sulfúrico, y por delante de la aleación 625 específicamente en ácido clorhídrico, pero Haynes afirma directamente que la línea de 0,1 mm/año del G-30 se sitúa ligeramente por encima de la del 625 en ácido sulfúrico, lo que significa que el 625 tiene una pequeña ventaja allí donde la contaminación por ácido sulfúrico es la preocupación dominante.

Este es un dato útil y honesto para tomar decisiones sobre especificaciones: G-30 no está universalmente por delante de todas las aleaciones competidoras en cada ácido que un evaporador pueda ver. Cuando la impureza dominante es ácido sulfúrico arrastrado desde el paso de digestión de la roca-, la aleación 625 (o el cromo superior-HASTELLOY G-35, tratado en un artículo complementario de esta serie) puede ofrecer un pequeño margen adicional. Mientras que el ácido se acerca más a la química pura del proceso húmedo con su característica carga de cloruro, el equilibrio de cromo, molibdeno y cobre del G-30 le da una ventaja real sobre los aceros inoxidables y el 625 en ácido clorhídrico específicamente.

¿Cuál es la resistencia del G-30 a las picaduras debajo de los depósitos y a la corrosión en grietas?

Según las dos pruebas aceleradas estándar utilizadas para simular condiciones de suciedad -por cloruro - Muerte Verde y Muerte Amarilla - G-30 muestra primero picaduras a 55 grados y ataque de grietas a 45 grados (Muerte Verde) o 25 grados (Muerte Amarilla), que es exactamente el modo de falla al que los haces de tubos del evaporador están más expuestos a medida que se acumulan incrustaciones y sólidos en la superficie del tubo.

Fuente: Datos de corrosión por picaduras y grietas de Haynes International (pruebas de 24 horas), hoja de datos de la aleación HASTELLOY G-30.

Este es el conjunto de datos más relevante desde el punto de vista operativo de este artículo. La resistencia al ácido en masa, como se muestra en las tablas de concentración anteriores, describe lo que le sucede a la superficie de un tubo limpio expuesto uniformemente al flujo de ácido. Los tubos de evaporador reales acumulan incrustaciones, depósitos de sulfato de calcio y zonas estancadas en deflectores y placas de soporte - condiciones que concentran cloruros localmente y pueden provocar picaduras o ataques de grietas muy por debajo de la temperatura nominal de funcionamiento del ácido a granel. El umbral de corrosión en grietas de G-30 de 25 a 45 grados es un margen significativo y cuantificado por encima de las temperaturas operativas típicas del evaporador para muchos diseños, pero también subraya por qué la limpieza e inspección mecánica periódica debajo de los depósitos sigue siendo una práctica estándar independientemente de la selección de la aleación.

¿Es el G-30 resistente al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro en el servicio del evaporador?

Sí - en la prueba estándar de ebullición de cloruro de magnesio al 45 % (ASTM G36),G-30resistió el agrietamiento durante 168 horas, aproximadamente siete veces más que el 254SMO y 84 veces más que el 316L, y superó a dos aleaciones de níquel de comparación ('28' y '31') probadas junto a él.

Fuente: Datos de fisuración por corrosión bajo tensión-de Haynes International (45 % de MgCl2 en ebullición, ASTM G36), hoja de datos de la aleación HASTELLOY G-30.

La resistencia del SCC es importante para los haces de tubos del evaporador porque combinan dos de los tres ingredientes. El SCC requiere - un material susceptible a tensiones de tracción (por ciclos térmicos, enrollado en la placa de tubos o tensión de soldadura residual) expuesto a un entorno que contiene cloruro-. El umbral de aproximadamente 168 horas de G-30 en una prueba mucho más severa que las condiciones de servicio típicas brinda a los diseñadores de tubos un margen de seguridad sustancial y cuantificado sobre los aceros inoxidables que se consideran con mayor frecuencia como alternativas de menor costo.

¿Cómo afecta la soldadura a la resistencia a la corrosión de la-unión y del tubo-a-placa tubular?

Las tasas de corrosión de todos los metales de soldadura-de G-30 se mantienen cercanas a las del metal base forjado en la mayoría de las condiciones de ácido sulfúrico y clorhídrico relevantes para el servicio del evaporador, con la excepción del ácido sulfúrico al 90%, donde tanto el metal de soldadura como el metal base forjado muestran un aumento agudo y coincidente -, lo que significa que el aumento allí refleja un límite químico genuino en lugar de una debilidad específica de la soldadura.

Fuente: Datos de corrosión de metales-soldados-de Haynes International (cruciformes GMAW de múltiples-pasos) frente a metales base-forjados, hoja de datos de la aleación HASTELLOY G-30.

Para haces de tubos de evaporador fabricados a partir de tubos soldados (ASTM B619/B626) o que requieren soldaduras de tubo-a-placa de tubos, estos datos respaldan la especificación de G-30 sin reducción de potencia de la manta para las zonas de soldadura en la mayoría de las condiciones ácidas para las que está destinada la aleación. El resultado de ácido sulfúrico del 90 % es un recordatorio de que el G-30, al igual que el G-35, no es la opción correcta si el remanente de ácido sulfúrico de una planta alcanza regularmente esa concentración en la pared del tubo, una condición en la que 625 o un tubo G-35 con mayor contenido de cromo sería la especificación más conservadora.

¿Cómo afecta la conductividad térmica del G-30 al diseño del tubo del intercambiador de calor?

La conductividad térmica del G-30 (alrededor de 10 W/m·grado a temperatura ambiente, aumentando a aproximadamente 19-21 W/m·grado a 400-600 grados) está muy por debajo de la de las aleaciones de cobre e incluso del acero al carbono, por lo que el área-de transferencia de calor y el espesor de la pared del tubo- deben dimensionarse teniendo en cuenta la conductividad de la aleación, pero esta compensación se ve sustancialmente compensada por la El margen de corrosión G-30 es muy fino, en comparación con las paredes más gruesas que necesitaría una aleación más barata y menos resistente.

Fuente: Datos de propiedades físicas de Haynes International, hoja de datos de la aleación HASTELLOY G-30.

Esta es una verdadera compensación de ingeniería-, no un punto de marketing que deba pasarse por alto: una pared de tubo de níquel-cromo-hierro conducirá el calor notablemente menos eficientemente que una aleación de cobre-de espesor comparable o un tubo de acero al carbono, y el diseño térmico del intercambiador de calor (recuento de tubos, longitud o espesor de pared) debe tenerlo en cuenta directamente en el cálculo de la transferencia de calor-. En la práctica, los diseñadores de evaporadores compensan esto aprovechando la resistencia a la corrosión del G-30 para especificar una pared de tubo más delgada que la que requeriría un diseño de acero al carbono-o de una-aleación inferior, lo que recupera parcialmente la penalización por transferencia de calor-de una menor conductividad y al mismo tiempo ofrece una vida útil de varias-décadas sin el margen-de espesor de la pared que exigiría un margen de corrosión en un material menos resistente.

¿Qué formas y estándares de productos de tubos se aplican a los tubos de evaporador G-30?

Los tubos de evaporador G-30 están disponibles como tubos sin costura según ASTM/ASME B622/SB622 y como tubos soldados según ASTM/ASME B619/B626 y SB619/SB626, se suministran{8}}recocidos en fábrica y deben volver a recocerse-después de cualquier operación-de conformado en frío o de doblado-de tubos que produzca un 7% o más. Alargamiento de la fibra exterior para restaurar la resistencia total a la corrosión.

Fuente: Tabla de "Especificaciones y códigos" de Haynes International, hoja de datos de la aleación HASTELLOY G-30.

La temperatura de recocido para G-30 es de 1177 grados (2150 grados F) y se recomienda el enfriamiento con agua, aunque el enfriamiento rápido por aire es factible para estructuras de menos de 10 mm (0,375 pulgadas) - una categoría que incluye la mayoría de los espesores de pared de los tubos- del evaporador. El G-30 es más rígido que los aceros inoxidables austeníticos y se endurece más fácilmente, lo que importa directamente para las operaciones de doblado y expansión de tubos durante la fabricación del haz y debe planificarse en la secuencia de fabricación.

¿Cuáles son los límites prácticos de diseño y funcionamiento de los tubos de evaporador G-30?

G-30 funciona de manera confiable en todo el rango de concentración de 30-54% de P2O5 y hasta 121 grados en ácido de proceso-húmedo real, pero los diseñadores deben tratar la contaminación localizada por cloruro - no la fuerza del ácido en masa - como la restricción de diseño que rige, y deben observar específicamente los picos agudos de la tasa de corrosión-que los propios datos del ácido clorhídrico de G-30 muestran en ciertos combinaciones intermedias de concentración y temperatura.

La tabla de ácido clorhídrico de Haynes International muestra que las tasas de corrosión aumentan bruscamente en algunas condiciones intermedias - por ejemplo, 2,5 % de HCl a 93 grados (200 grados F) salta a 4,23 mm/año, y 2-2,5 % de HCl en ebullición alcanza 9,47-12,67 mm/y - muy por encima de las tasas de comportamiento del pozo- tanto en niveles más bajos como bajos. concentraciones más altas en las cercanías. Este tipo de comportamiento no monótono es un recordatorio de que los diagramas de isocorrosión y las tablas de concentración deben leerse según la química ácida local real esperada en la pared del tubo (incluido cualquier efecto de concentración por ebullición o evaporación directamente en la superficie), no solo la concentración nominal del proceso en masa.

• Guía de diseño y operación:Realice un seguimiento de los niveles de impureza de cloruro y ácido{0}}sulfúrico-libre en el ácido del proceso, ya que estos - y no la concentración nominal de P2O5 - son los que realmente generan el riesgo de corrosión de los tubos.
• Guía de diseño y operación:Programe limpiezas e inspecciones mecánicas periódicas bajo incrustaciones y depósitos, ya que el umbral de corrosión en grietas del G-30 (25 a 45 grados en pruebas aceleradas) puede alcanzarse dondequiera que las incrustaciones concentren cloruros localmente.
• Guía de diseño y operación:Evite diseños que concentren ácido clorhídrico localmente en el rango del 2-3% a temperatura elevada, donde los propios datos del G-30 muestran un pico desproporcionado en la tasa de corrosión.
• Guía de diseño y operación:Cuando el arrastre de ácido sulfúrico es inusualmente alto o regularmente se acerca al 90 % de concentración en la pared del tubo, evalúe la aleación 625 o HASTELLOY G-35 como una alternativa más conservadora.
• Guía de diseño y operación:Vuelva a recocer los tubos después de-formado en frío o operaciones de doblado que excedan aproximadamente el 7 % del alargamiento de la fibra externa-para restaurar completamente la resistencia a la corrosión antes de la puesta en servicio.

Preguntas frecuentes

P: ¿Por qué se utiliza Hastelloy G-30 para los tubos evaporadores de ácido fosfórico?

A: El alto contenido de cromo de G-30 resiste el carácter oxidante del ácido-fosfórico de proceso húmedo y la contaminación por ácido{3}}nítrico, mientras que su contenido de molibdeno y cobre resiste la impureza de ácido sulfúrico presente en cada corriente de proceso-húmedo. Haynes International nombra los tubos evaporadores de P2O5 como una de las dos aplicaciones principales de la aleación, respaldadas por pruebas de ácido de grado reactivo- y de proceso húmedo real.

P: ¿Se mantiene la resistencia a la corrosión del G-30 con la concentración total de P2O5 del 54% utilizada en los evaporadores comerciales?

A: Sí. Los datos del ácido fosfórico en ebullición de grado reactivo-muestran que la tasa de corrosión del G-30 aumenta solo gradualmente en todo el rango de concentración, manteniéndose en el rango de 0,1 a 0,2 mm/año, alrededor del 54 al 60 % de P2O5 -, dentro de un margen de diseño cómodo.

P: ¿Cuál es el mayor riesgo de corrosión para los tubos G-30 en servicio de evaporador?

A: Corrosión por picaduras y grietas provocada por cloruro-bajo incrustaciones y depósitos, ataque ácido no uniforme sobre una superficie limpia. Las pruebas aceleradas estándar muestran los umbrales de corrosión por picaduras y grietas del G-30 a 25-55 grados, por lo que la limpieza e inspección periódicas de las incrustaciones siguen siendo importantes independientemente de la elección de la aleación.

P: ¿Hastelloy G-30 es mejor que la aleación 625 para evaporadores de ácido fosfórico?

A: Depende de qué impureza predomine. Los propios datos comparativos de Haynes International muestran que G-30 está por delante de 625 en ácido clorhídrico, pero 625 mantiene una ligera ventaja en ácido sulfúrico. Cuando el arrastre de ácido sulfúrico es inusualmente alto, 625 o el HASTELLOY G-35 con mayor contenido de cromo pueden ser la especificación más conservadora.

P: ¿La soldadura reduce la resistencia a la corrosión del G-30 en la fabricación de tubos de evaporadores?

A: Generalmente no. Los datos publicados de soldadura-metal-versus-forjado muestran solo una pequeña diferencia en la mayoría de las condiciones de ácido sulfúrico y clorhídrico relevantes para el servicio del evaporador, y tanto el metal de soldadura como el metal base forjado muestran un aumento similar impulsado por la química-solo en las condiciones más severas probadas (90 % de ácido sulfúrico).

P: ¿Cómo se compara la conductividad térmica del G-30 con la de otros materiales de tubos de intercambiadores de calor?

A: La conductividad térmica del G-30 (aproximadamente 10 W/m·grado a temperatura ambiente) está muy por debajo de las aleaciones de cobre y el acero al carbono, por lo que el área de transferencia de calor-debe dimensionarse en consecuencia. En la práctica, esto se compensa en parte porque la resistencia a la corrosión del G-30 permite una pared del tubo más delgada que la que necesitaría una aleación menos resistente para la misma vida útil.