Incoloy 825 en la producción de ácido fosfórico: rendimiento del intercambiador de calor de ácido de proceso húmedo-

El ácido fosfórico de proceso húmedo (WPA) es uno de los fluidos más corrosivos que se manejan en el procesamiento químico industrial, ya que combina ácido sulfúrico libre, fluoruro, cloruro y sólidos abrasivos en una sola corriente. Los intercambiadores de calor en las secciones de digestión, filtración y evaporación de una planta WPA ven este ataque concentrado en la velocidad, la temperatura y las ubicaciones de soldadura - exactamente donde las fallas son más costosas.Incoloy 825 (UNS N08825)se ha convertido en la aleación de caballo de batalla para esta tarea porque su química de níquel-cromo-molibdeno-cobre fue desarrollada específicamente para resistir tanto el ataque reductor del ácido sulfúrico/fosfórico como la corrosión localizada por cloruro al mismo tiempo.

Esta guía explica por qué Incoloy 825 funciona bien en intercambiadores de calor WPA, cómo se compara con el acero inoxidable 316L y aleaciones de níquel superiores, y qué prácticas de diseño y fabricación se necesitan para obtener su vida útil completa.

¿Qué es Incoloy 825 y por qué se utiliza ampliamente en la producción de ácido fosfórico?

Incoloy 825 es una aleación de níquel-hierro-cromo con molibdeno y cobre añadidos, formulada específicamente para resistir el ataque combinado de ácido sulfúrico, ácido fosfórico y cloruro/fluoruro que se encuentra en el ácido fosfórico de proceso húmedo-, por lo que se ha convertido en la aleación estándar para intercambiadores de calor y equipos de proceso en la mayoría de las plantas de producción de WPA.

Tabla 1 - Composición química representativa de Incoloy 825 según ASTM B424/B425/B163.

La adición de cobre a la aleación es la clave de su resistencia a los ácidos reductores como el ácido sulfúrico y fosfórico, mientras que su contenido de molibdeno añade resistencia a la corrosión por picaduras y grietas provocada por los iones de cloruro. Su alto contenido de níquel (38–46%) resiste el agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro, un modo de falla que limita los aceros inoxidables austeníticos estándar como el 316L en este servicio. Debido a que el ácido fosfórico de proceso-húmedo contiene todas estas especies agresivas simultáneamente - ácido sulfúrico del paso de digestión, fluoruro de la roca de fosfato y cloruro como contaminante - la resistencia equilibrada de múltiples elementos-de Incoloy 825 lo convierte en una solución práctica de aleación única-para la mayor parte de la planta en lugar de requerir una aleación especial diferente para cada especie corrosiva.

¿Qué hace que el ácido fosfórico de proceso-húmedo sea tan corrosivo para los materiales de los intercambiadores de calor?

El ácido fosfórico de proceso húmedo-es agresivo porque combina cuatro mecanismos de corrosión separados en una sola corriente: - ataque de ácido sulfúrico libre, fluoruro-corrosión acelerada, picaduras-inducidas por cloruro y corrosión bajo tensión, y sólidos-erosión-corrosión -, cualquiera de los cuales desafiaría a un acero inoxidable estándar por sí solo, y mucho menos a los cuatro juntos.

Ácido sulfúrico libre: el WPA se produce al digerir roca de fosfato con ácido sulfúrico, y un exceso controlado de ácido sulfúrico sin reaccionar generalmente permanece en la corriente del proceso, atacando materiales que carecen de una fuerte resistencia a los ácidos reductores-.

Contenido de fluoruro: la roca de fosfato contiene fluorapatita, que libera iones de fluoruro durante la digestión; El fluoruro puede romper localmente las películas pasivas de óxido y acelerar la corrosión, particularmente en altas concentraciones o temperaturas elevadas.

Contaminación por cloruro: el cloruro ingresa desde el mineral, el agua de proceso o la contaminación aguas arriba, e impulsa la corrosión por picaduras y grietas localizadas y, en casos severos, el agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro de aleaciones susceptibles.

Sólidos suspendidos y erosión de lodos: el WPA transporta yeso fino y partículas de roca sin reaccionar, que erosionan las películas protectoras de óxido a alta velocidad, particularmente en las entradas de los tubos, las curvas y los puntos de contacto de los deflectores en los intercambiadores de calor.

¿Cómo resiste Incoloy 825 la corrosión en diferentes concentraciones y temperaturas de WPA?

Incoloy 825 mantiene una tasa de corrosión general baja y predecible en todo el rango típico de ácido de proceso húmedo-, desde ácido de filtro P2O5 diluido al 28–30 % hasta producto de evaporador concentrado de P2O5 al 40–54 %, aunque las tasas de corrosión aumentan tanto con el aumento de la temperatura como con el aumento de la contaminación por fluoruro/cloruro, lo que debe tenerse en cuenta en el diseño del intercambiador.

TCondiciones 2 - representativas del proceso húmedo- de ácido fosfórico por etapa de producción y rango de rendimiento general de Incoloy 825. Las tasas de corrosión reales dependen de la química específica de la planta (niveles de fluoruro, cloruro y sulfato) y deben confirmarse mediante pruebas de cupones o el historial de la planta.

¿Cómo se compara Incoloy 825 con el acero inoxidable 316L en el servicio de intercambiador de calor WPA?

Incoloy 825 supera sustancialmente al acero inoxidable 316L en el servicio de ácido fosfórico de proceso húmedo-, particularmente con respecto a picaduras, corrosión por grietas y agrietamiento por corrosión bajo tensión de cloruro, razón por la cual 316L generalmente se limita a zonas de menor-severidad y menor-cloruro, mientras que Incoloy 825 se especifica para la mayoría de las tareas de intercambiador de calor WPA.

Tabla 3 - Propiedades comparativas del acero inoxidable 316L y el Incoloy 825 para el servicio de ácido fosfórico en proceso húmedo-. El costo relativo es sólo indicativo y varía según el precio de mercado del níquel/molibdeno.

¿Cómo se compara Incoloy 825 con aleaciones superiores como la aleación 625 en las zonas más severas?

Conclusión:En las zonas más severas de una planta WPA, - un contenido muy alto de fluoruro, cloruro elevado o las etapas de evaporador de mayor-temperatura - la aleación 625 o aleaciones similares de níquel con alto contenido-de molibdeno pueden superar al Incoloy 825, pero esta resistencia adicional tiene un costo significativamente mayor, por lo que la aleación 625 generalmente se reserva para componentes específicos de alto-riesgo en lugar de usarse en toda la planta.

Tabla 4 - Incoloy 825 frente a Alloy 625 para las zonas de ácido fosfórico de proceso húmedo-más exigentes.

El enfoque práctico utilizado por la mayoría de los productores de WPA es especificar Incoloy 825 como material de referencia para la mayoría de los equipos de proceso y luego actualizar selectivamente componentes específicos - que a menudo se identifican a través del monitoreo de corrosión de la planta o del historial de fallas anteriores - a aleación 625 u otra aleación con alto contenido de-molibdeno solo cuando las condiciones locales (una corriente lateral rica en fluoruro-, un codo de alta-velocidad o un punto caliente conocido) lo exijan.

¿Qué papel juega la contaminación por fluoruros y cloruros en la selección de materiales?

Los niveles de fluoruro y cloruro - y no solo la concentración de P2O5 o la temperatura - suelen ser los factores decisivos para determinar si Incoloy 825 es suficiente o si se justifica una aleación más alta, porque ambas especies pueden romper localmente la película pasiva de óxido que protege las aleaciones de níquel del ataque de los ácidos.

Las fuentes de roca fosfórica varían significativamente en el contenido de fluoruro, y el agua de proceso y las corrientes recicladas pueden introducir niveles variables de cloruro que no siempre se reflejan en la base de diseño nominal de una planta. Debido a que la resistencia a la corrosión de Incoloy 825 depende de una película pasiva estable, un nivel elevado de fluoruro o cloruro más allá de los niveles supuestos en la selección del material original puede provocar una corrosión localizada inesperadamente rápida, incluso cuando la concentración de ácido en masa y la temperatura permanecen dentro de los límites normales de diseño. Por esta razón, la selección eficaz de materiales y los programas de confiabilidad continuos en las plantas de WPA incluyen rutinariamente pruebas de cupones de corrosión y análisis periódicos de la materia prima en lugar de depender únicamente de la concentración y la temperatura de P2O5.

¿Cómo afecta la erosión-corrosión del lodo de proceso a la vida útil de los tubos del intercambiador de calor?

La erosión-corrosión del yeso suspendido y los sólidos de roca en WPA acorta la vida útil de los tubos del intercambiador de calor principalmente en ubicaciones de alta-velocidad - entradas de tubos, curvas en U-y puntos de contacto de deflectores - donde la eliminación mecánica de la película protectora de óxido supera su capacidad de reformarse, lo que hace que el control de velocidad del lado del tubo-sea tan importante como la selección de la aleación para la confiabilidad a largo plazo-.

Mantenga la velocidad del lado del tubo-dentro del rango recomendado por el proveedor de la aleación para el servicio WPA con soporte de lodo, generalmente muy por debajo de los límites de velocidad utilizados para fluidos limpios y no-abrasivos.

Utilice revestimientos o casquillos del tubo de entrada en la entrada del tubo, donde la turbulencia y el impacto de la boquilla de entrada concentran el desgaste erosivo.

Diseñe los cortes y espacios de los deflectores para minimizar el impacto directo del lodo a alta velocidad-contra las paredes del tubo en los puntos de contacto de los deflectores.

Monitoree y limpie periódicamente los intercambiadores para eliminar los sólidos sedimentados, ya que la deposición localizada puede crear células de aireación diferencial que aceleran la corrosión debajo del depósito.

¿Qué prácticas de soldadura y fabricación preservan la resistencia a la corrosión del Incoloy 825 en los intercambiadores de calor?

Preservar la resistencia a la corrosión de Incoloy 825 durante la fabricación requiere material base y metal de relleno con bajo contenido de carbono-, una cobertura completa del gas de protección (incluido el gas de purga en el diámetro interior del tubo) y una limpieza completa del cordón de soldadura para eliminar el tinte térmico, porque cualquiera de estos fallos puede crear una zona localmente menos-resistente que se convierte en el primer punto de falla en el servicio.

Utilice metal de aportación Incoloy 825 correspondiente (ERNiFeCr-1 / ENiCrMo-3 según corresponda) para evitar un depósito de soldadura con diferente resistencia a la corrosión que el metal base.

Purgue el interior del tubo con gas inerte durante la soldadura para evitar la oxidación (tinte térmico) en la superficie-mojada del proceso, que es mucho más susceptible a la corrosión localizada que el metal de soldadura debidamente protegido.

Decapa y pasiva las soldaduras después de la fabricación para eliminar el tinte térmico y restaurar una capa pasiva uniforme de óxido de cromo en toda la superficie humedecida.

Controle la temperatura entre pasadas para limitar el tiempo transcurrido en el rango de temperatura de sensibilización, reduciendo el riesgo de precipitación de carburo de cromo en los límites de los granos, aunque el bajo contenido de carbono y la estabilización de titanio de Incoloy 825 ya proporcionan una buena resistencia a la sensibilización.

Inspeccione las soldaduras completadas para determinar si tienen una penetración total y no tienen grietas o falta-de-defectos de fusión, ya que estas características geométricas se convierten en sitios preferenciales para la corrosión en grietas independientemente de la química de la aleación.

¿Cómo deberían diseñarse los intercambiadores de calor para una larga vida útil en WPA?

Los intercambiadores de calor WPA de larga duración-combinan una selección de aleaciones adecuada con una velocidad lateral del tubo-conservadora, un margen de corrosión adecuado, haces de tubos accesibles para inspección y limpieza, y zonas de transición de materiales (placas de tubos, cabezales de canales) diseñadas para evitar problemas galvánicos y de grietas donde se encuentran materiales diferentes.

Seleccione el material del tubo (normalmente Incoloy 825, con aleación 625 en zonas severas conocidas) según los datos confirmados de fluoruro, cloruro y temperatura del proceso - no solo la concentración genérica de P2O5.

Establezca la velocidad lateral del tubo-dentro del rango recomendado para el servicio con cojinetes de lodo-para equilibrar la eficiencia de la transferencia de calor contra el riesgo de erosión-corrosión.

Especifique un margen de corrosión adecuado para el espesor de la pared según el historial de monitoreo de corrosión específico de la planta-en lugar de un valor predeterminado genérico.

Diseñe placas de tubos y cabezales de canales con materiales compatibles o revestidos para evitar la corrosión galvánica cuando la aleación del tubo se encuentra con un material estructural diferente.

Proporcione un espacio adecuado para tirar-el haz y acceso para inspección, ya que la inspección y limpieza periódicas de los tubos son esenciales para detectar la corrosión o erosión localizada antes de que cause una fuga.

Establezca un programa de inspección y pruebas de cupones-de rutina para realizar un seguimiento de las tasas de corrosión reales frente a las suposiciones de diseño y detectar los cambios químicos del proceso antes de que provoquen fallas no planificadas.

¿Cuál es el costo total de propiedad de Incoloy 825 frente a las alternativas en el servicio WPA?

Aunque Incoloy 825 cuesta varias veces más por unidad de masa que el acero inoxidable 316L, generalmente ofrece un costo total de propiedad más bajo en el servicio de intercambiador de calor de ácido fosfórico de proceso húmedo porque evita las frecuentes fallas de tubos, paradas no planificadas y reemplazos de paquetes que experimenta el 316L en este entorno.

Una comparación de costos significativa debe incluir no sólo el precio inicial del haz de tubos sino también el intervalo esperado entre fallas, el costo de la pérdida de producción no planificada durante cada falla y el costo de mano de obra y eliminación del reemplazo del haz. En el proceso de ácido fosfórico húmedo-, los intercambiadores 316L a menudo experimentan picaduras o fugas relacionadas con-corrosión-en unos pocos años de servicio continuo, mientras que los intercambiadores Incoloy 825 correctamente diseñados y fabricados comúnmente alcanzan una vida útil medida en una década o más en las mismas condiciones. Cuando se incluyen estos costos evitados de fallas y tiempos de inactividad, el mayor costo de material de Incoloy 825 generalmente se recupera muchas veces a lo largo de la vida útil del intercambiador, lo que lo convierte en la opción económicamente racional para la mayoría de los intercambiadores de calor WPA a pesar de su mayor precio inicial-.

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