화학 공장 스테인리스강 선택: 산, 알칼리 및 용제 서비스 재료 가이드

화학 공장에 사용할 금속을 선택하는 것은 향후 20년에 대한 베팅입니다. 한 산에서는 수십 년 동안 지속되는 동일한 등급이 다른 산에서는 몇 개월 만에 실패할 수 있으며, 불순물의 몇 백만분의 1이 답을 바꿀 수 있습니다. 이 가이드는 산, 알칼리 및 용제 서비스에서 스테인리스강 및 니켈 합금 선택에 대한 명확한 출발점을 제공합니다. 선택의 이면에 있는 규칙을 설명하고, 주요 등급을 비교하며, 일반적인 선택이 실패하는 조건을 표시합니다. 이는 엔지니어, 구매자 및 학생을 위해 작성되었으며 심사 가이드입니다. 최종 선택은 항상 실제 프로세스 흐름에 대한 부식 데이터를 기준으로 확인되어야 합니다.

화학 공장에 가장 적합한 스테인리스강은 없습니다. 올바른 재료는 화학물질, 농도, 온도, 불순물에 따라 달라집니다. 출발점:질산용 304L; 중간 정도의 황산, 인산, 아세트산과 대부분의 용제 및 저온 부식성의 경우 316L;904L또는합금 20더 넓은 황산 서비스를 위해; 뜨겁고 강한 부식성의 경우 니켈 200/201; 니켈-몰리브덴 합금 등C-276(또는 비금속 및 라이닝 시스템) 표준 스테인리스강이 적합하지 않은 염산용. 염화물, 불화물, 온도 및 스트레스는 가장 자주 규칙을 위반하는 요소입니다.

화학 플랜트 서비스용 스테인레스강을 어떻게 선택해야 합니까?

결론: 등급이 아닌 화학물질과 그 조건부터 시작하십시오. 화학 물질, 농도, 온도 범위, 불순물(특히 염화물, 불화물 및 산화제), 응력 및 흐름을 정의한 다음 마진을 두고 부식 한계 미만으로 유지되는 가장 저렴한 재료를 선택하십시오.

스테인레스 스틸은 크롬이 표면에 얇고 눈에 보이지 않는 산화막을 형성하기 때문에 부식에 강합니다. 산과 알칼리는 해당 필름에 대해 다르게 반응합니다. 질산과 같은 산화성 산이 이를 강화시킵니다. 황산, 염산 등 환원산이 이를 공격하므로 환원산에 대한 저항성을 높여주는 몰리브덴과 구리가 도움이 된다. 염화물은 피막을 국부적으로 파괴하여 공식(pitting), 틈새 부식 및 응력 부식 균열(SCC)을 유발합니다. 한 환경에서 우수한 성적이 다른 환경에서는 좋지 않을 수 있습니다.

엔지니어들은 금속이 매년 고정된 두께를 잃는 농도와 온도를 표시하는 등부식 곡선을 사용하여 재료를 비교합니다. 가장 일반적인 라인은 연간 0.1mm(연간 약 4mil)이며, 일반적으로 연속 서비스에 대해 허용 가능한 것과 허용되지 않는 것 사이의 경계로 처리됩니다. 데이터는 또한 연간 0.1mm 미만, 0.5mm 미만, 0.5mm 이상의 범위로 보고됩니다.

표 1. 재료 선택에 사용되는 일반적인 부식률 밴드. 변환: 연간 1백만=0.0254 mm/년. 전체 속도는 평균 속도가 낮은 경우에도 발생할 수 있는 구멍, 틈새 부식 또는 균열을 포착하지 못합니다.

화학 공장에서는 어떤 등급이 사용되며 어떻게 비교됩니까?

서비스가 요구하는 범위 내에서만 사다리를 올리십시오. 304L 및 316L은 많은 업무를 처리합니다. 904L, 합금 20 및 이중 등급은 더 강한 산과 염화물을 처리합니다. 스테인리스강이 고갈되는 곳에서는 니켈 합금이 대신합니다.

염화물 공식에 대한 유용한 스크리닝 번호는 공식 저항 등가 수치입니다: PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. 숫자가 높을수록 피팅에 대한 저항성이 더 우수함을 의미합니다. PREN은 염화물 구멍만 예측합니다. 이는 산 부식, 응력 부식 균열 또는 고온 거동을 예측하지 못하므로 산 관련 데이터와 결합해야 합니다.

표 2. 일반적인 화학 플랜트 합금의 비교 PREN 값은 게시된 테이블에서 일반적으로 계산된 범위입니다. 실제 값은 공장 인증서 화학에 따라 달라집니다. 구성은 대략적인 것입니다.

황산 서비스에는 어떤 재료를 사용해야 합니까?

묽고 차가운 황산에만 316L을 사용하십시오. 더 넓은 농도 범위를 위해서는 904L 또는 합금 20을 사용하십시오. 뜨겁거나 오염된 산에 대해서는 니켈-몰리브덴 합금 또는 기타 특수 재료로 전환합니다.. 304 실온에서 매우 묽은 산으로 제한됩니다.

황산은 낮거나 중간 정도의 농도에서 환원성 산이므로 몰리브덴과 구리가 없는 스테인레스강은 성능이 좋지 않습니다. 연간 0.1mm의 등부식 도표에서 304는 실온에서 약 5%의 희석산으로 제한되는 반면, 316은 20도에서 약 22%까지 사용할 수 있습니다. Grade 904L은 황산용으로 특별히 개발되었으며 최대 약 35도까지의 온도에서 전체 농도 범위에 걸쳐 사용할 수 있습니다. 추가 몰리브덴과 구리는 환원 조건에서 저항을 확장합니다. 구리는 중간 농도에서 특히 유용합니다. 합금 20도 마찬가지로 황산용으로 설계되었습니다.

두 가지 경고가 적용됩니다. 염화물 오염은 저항성을 급격하게 낮춥니다. 게시된 다이어그램은 약 200mg/L 염화물을 첨가할 때 급격한 감소를 보여줍니다. 그리고 약 90% 이상의 매우 강하고 뜨거운 산은 다르게 행동하고 순수하지 않은 경우 공격적일 수 있으므로 농축된 황산은 별도로 선택됩니다(예: 속도 민감도를 감소시키는 실리콘 함유 스테인리스강). 항상 특정 등급의 등부식 차트를 기준으로 농도와 온도를 확인하십시오.

질산 서비스에는 어떤 재료를 사용해야 합니까?

304L을 사용하세요. 질산은 산화하므로 크롬은 도움이 되고 몰리브덴은 도움이 되지 않습니다. 316L은 특별히 유용하지 않으며 이중 2205는 순수 질산에서 304L에 비해 이점을 제공하지 않습니다.

Type 304L은 최대 약 60% 농도 및 대기압 끓는점까지의 질산을 취급하고 저장하는 데 널리 사용됩니다. 65% 질산을 끓이는 경우 316L은 연간 약 0.25mm의 부식률을 보였으며, 이는 연간 약 0.23mm의 304와 비교할 수 있으므로 몰리브덴은 이점을 가져오지 않습니다.

농도가 높거나 예외적으로 산화되는 조건에는 실리콘 함유 스테인리스강 또는 탄탈륨과 같은 다른 재료가 필요합니다. 혼합산은 특별한 경우입니다. 불화수소산이 포함된 질산은 매우 공격적입니다. 한 데이터 세트에서는 70도에서 3% HF를 포함하는 10% 질산의 304L이 연간 약 157mm로 부식되었습니다. 혼합산에는 질산에만 해당하는 데이터를 적용하지 마십시오.

염산과 불산에는 어떤 재료를 사용해야 합니까?

표준 스테인리스강(304, 316)은 어떤 농도나 온도에서도 염산에 적합하지 않습니다. C-276, 탄탈륨, 지르코늄, 라이닝 또는 비금속 시스템과 같은 니켈-몰리브덴 합금을 사용하십시오. 불화수소산의 경우 Monel 400은 탈기 서비스에서 고전적인 금속 선택입니다.

염산은 일반적인 오스테나이트계 스테인리스강의 부동태 피막을 파괴합니다. 니켈과 몰리브덴의 함량이 높을수록 묽은 산에 대한 저항성이 향상되며 피팅, 국부 침식 및 응력 부식 균열이 여전히 발생할 수 있습니다. 듀플렉스 스테인리스강은 염산에 대한 유용한 저항성을 제공하지 않습니다. 구리가 포함된 합금 20도 권장되지 않습니다. 공급업체 데이터는 그 격차를 보여줍니다. 1% 염산을 끓일 때 904L은 연간 약 0.55mm 부식되고 316의 경우 연간 5mm 이상 부식되며 약 2% 염산 이상에서는 스테인레스 스틸이 안전한 답이 아닙니다. 실제로 염산 서비스에는 C-276 또는 이와 유사한 합금 또는 비금속 재료가 필요합니다.

불화수소산의 경우 Monel 400은 본질적으로 탈기된 액체 서비스에서 끓는점까지의 모든 농도에 저항하며 부식 속도는 실온 근처에서 연간 약 0.03~0.04mm입니다. 폭기 및 약 90~120도 이상의 온도는 속도를 급격하게 증가시키며, 습하고 폭기된 증기에서는 응력 부식 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 제한 사항은 불화수소산의 Monel 400에 대한 동반 기사에서 자세히 다루고 있습니다.

인산, 아세트산, 포름산에는 어떤 재료를 사용해야 합니까?

316L은 대부분의 조건에서 인산과 아세트산에 대한 표준 선택입니다. 불순한(습식 공정) 인산에 대해 최대 904L 이상의 합금을 사용합니다. 더 공격적인 포름산은 조심하세요.

몰리브덴 함유 316 및 317 등급은 20% 인산 끓는점에서 우수한 성능을 발휘하며 발표된 부식 속도는 연간 약 0.015~0.027mm입니다. 불순물은 이러한 상황을 변화시킵니다. 비료 등급(습식 공정) 인산에는 부식성을 높이는 불소와 염화물이 포함되어 있으므로 더 높은 합금 등급이 필요한 경우가 많습니다.

아세트산의 경우 304는 적당한 온도에서 매우 우수한 저항성을 가지며 316 및 317은 더 넓은 조건에서 선호됩니다. 20% 끓는 아세트산에서 316은 연간 약 0.003mm의 비율을 보여주었습니다. 개미산은 강력한 환원제이며 스테인리스강을 더 쉽게 공격합니다. 45% 개미산에서 316급 합금은 동일한 데이터 세트에서 연간 약 0.5~0.6mm 부식되었으며 이는 장기간 사용하기에는 너무 높습니다.

가성소다 및 기타 알칼리에는 어떤 재료를 사용해야 합니까?

304, 316은 적당한 온도에서는 가성소다에 적합하지만 농도, 응력, 불순물에 따라 약 50~95도 정도의 온도가 상승하면 가성응력부식균열(CSCC)이 심각한 위험이 됩니다. 뜨겁고 강한 부식성의 경우 니켈 200/201 또는 고니켈 합금을 사용하십시오.

스테인레스강은 수산화나트륨에 의한 일반적인 부식에 잘 견딥니다. 유형 304 및 316은 일반적으로 용해도 한계까지 약 80도 이하에서 내성을 갖는 것으로 간주되며 일부 지침에서는 응력이 제어되는 경우 약 95도까지 사용을 확장합니다. 위험은 균열입니다. 뜨겁고 집중된 부식성에서 인장 응력(잔류 용접 응력 포함)은 오스테나이트계 스테인리스강에 균열을 일으킬 수 있으며 일부 참고 자료에서는 시작점이 50~60도 근처라고 합니다. 불순물 문제: 가성의 황화물은 균열 온도를 약 50도까지 낮출 수 있습니다. 게시된 한계는 다양하므로 지정된 경우 보수적으로 설계하고 응력 완화 제작을 수행하십시오.

니켈 함량은 저항의 핵심입니다. 상업적으로 순수한 니켈 합금 200과 201은 저항력이 가장 뛰어나고 뜨겁고 농축된 부식성 물질에 널리 사용됩니다. 합금 20, 800 및 825는 300 시리즈보다 가성 부식 및 균열에 더 잘 견딥니다. 6% 몰리브덴 스테인리스 합금도 성능이 좋습니다. AL-6XN은 최대 190도에서 시뮬레이션된 43% 가성 증발기 용액에서 니켈 200보다 약간 높은 비율을 나타냈으며 응력 균열은 관찰되지 않았습니다. 합금 600은 약 300도 이상의 50% 부식성과 같은 가혹한 조건에서 균열이 발생할 수 있습니다. 흥미롭게도 염화물은 가성 균열을 악화시키지 않는 것으로 보입니다.

표 3. 가성소다의 표시 재료 선택. 게시된 온도 제한은 소스마다 다르므로 현재 데이터 및 프로젝트 사양을 확인하세요.

용제는 스테인레스강 선택에 어떤 영향을 미칩니까?

알코올, 케톤, 에스테르 및 탄화수소와 같은 대부분의 유기 용매는 그 자체로는 304 또는 316을 부식시키지 않습니다. 문제는 오염물질에서 발생합니다. 물과 염소화 용매는 염산을 형성할 수 있고, 염화물은 구멍과 응력 부식 균열을 일으킬 수 있으며, 유기산은 일부 등급을 부식시킬 수 있습니다.

유기 화합물은 일반적으로 스테인리스강에 부식 문제를 거의 일으키지 않습니다. 위험은 용매와 함께 제공되는 것에서 발생합니다. 염화메틸렌, 트리클로로에틸렌, 퍼클로로에틸렌과 같은 염소화 용제는 특히 습기, 열 또는 금속 접촉으로 천천히 분해되어 염산을 형성할 수 있습니다. 이것이 바로 제조업체가 안정제를 추가하고 보관 지침에 따라 습기를 차단하고 탱크 통풍구에 건조기를 장착해야 하는 이유입니다. 이러한 용제에 대한 업계 지침에서는 일반적으로 탄소강이 만족스럽고, 고품질이 요구되는 특수한 경우에는 스테인리스강이 사용됩니다. 사용 시 습하고 산성인 상태가 발생할 수 있다는 점을 가정하여 선택해야 합니다.

극성 유기 액체의 염화물도 스테인리스강을 공격할 수 있습니다. 실험실 연구에서는 유기 할로겐화물을 함유한 메탄올 용액과 염화물을 함유한 에탄올에서 316L이 구멍을 내고 염화물을 함유한 극성 유기 용액에서 304 및 316의 응력 부식 균열이 발생하는 것으로 나타났습니다. 이것이 염화물을 흡수할 수 있는 용매 시스템에 대해 일반적으로 304보다 316L이 선호되는 이유입니다.

표 4. 솔벤트 서비스 가이드. 항상 용매 공급업체와 실제 불순물 프로필을 확인하십시오.

염화물, 온도, 스트레스가 답을 변화시키는 이유는 무엇입니까?

일반적인 부식 속도로는 예측할 수 없는 실패 모드(염화물로 인한 공식 및 틈새 부식, 인장 응력과 공격적인 환경으로 인한 응력 부식 균열, 용접 열로 인한 민감화)를 유발하기 때문입니다.

표 5. 화학 공장 스테인리스강의 일반적인 부식 이외의 일반적인 고장 모드.

공급업체 데이터에 따르면 304는 최대 약 100ppm의 염화물, 316~약 2,000ppm, 317L~약 5,000ppm의 물에서 공식 및 틈새 부식에 저항하는 것으로 간주됩니다. 이는 경험상 법칙이며 온도, 틈, 산도에 따라 온도가 급격하게 낮아질 수 있습니다.

제조 및 세척이 화학 서비스 성능에 어떤 영향을 미칩니까?

제작이 불량하면 좋은 재료도 여전히 실패할 수 있습니다. 용접 장비에는 저탄소 등급을 사용하고, 탄소강 오염을 방지하고, 용접 후 피클 및 부동태화 처리를 하며, 가성 또는 염화물 균열 위험이 있는 곳에서는 응력을 완화합니다.

용접 열은 보호 필름을 제거하고 고탄소 등급을 민감하게 만들 수 있으므로 저탄소 "L" 등급은 용접 화학 장비의 표준입니다. 제작 후 세척, 스케일 제거 및 패시베이션은 ASTM A380 및 A967을 따릅니다. 탄소강 도구나 선반에서 주운 철은 녹이 슬고 구멍이 나기 시작할 수 있습니다. 압력 테스트도 중요합니다. 스테인리스 스틸 시스템은 일반적으로 저염소수(일반적으로 50ppm 이하로 제한)로 테스트한 후 구멍 및 염화물 응력 부식 균열을 방지하기 위해 즉시 배수 및 건조됩니다. 이러한 제조 및 테스트 사항은 위의 모든 산, 알칼리 및 용매 서비스에 적용됩니다.

선택을 하기 위해 이 가이드를 어떻게 사용할 수 있습니까?

5가지 질문을 순서대로 진행하십시오. 화학물질이란 무엇이며 산화 또는 환원입니까, 농도와 온도 범위는 무엇입니까, 불순물은 무엇입니까, 응력과 틈은 무엇인지, 요구되는 수명과 부식 허용치는 무엇입니까? 그런 다음 데이터 또는 쿠폰 테스트를 통해 확인합니다.

T6. 빠른 선택 시작점. 이는 보증이 아닌 선별 권장 사항입니다. 등부식 데이터 및 테스트를 통해 확인합니다.

공급업체에 견적을 요청할 때 화학물질 및 농도 범위, 정상 및 이상 온도, 불순물(염화물, 불화물, 황화물, 산화제), 압력 및 스트레스 조건, 필요한 수명, 청소 또는 멸균 절차를 제공하십시오. 이를 통해 공급업체는 올바른 등급, 제품 형태 및 열처리를 권장하고 인증된 밀 테스트 보고서와 추적성을 위한 확실한 재료 식별을 제공할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

단일 최고 등급은 없습니다.. 316L은 희석되고 차가운 산(등부식 데이터에 따라 20도에서 약 22%)에 적합하며 904L은 최대 약 35도까지 모든 농도에서 사용할 수 있으며 합금 20은 황산용으로 설계되었습니다. 염화물과 고온에는 더 높은 합금이 필요합니다.

스테인레스 스틸에 염산을 사용할 수 있나요?

표준 등급 304 및 316은 어떤 농도나 온도에서도 염산에 대한 내성이 없습니다. C-276, 탄탈륨, 지르코늄 또는 비금속 및 라이닝 시스템과 같은 니켈-몰리브덴 합금을 사용하십시오.

질산은 304L보다 316L이 좋은가요?

아니요. 질산은 산화하므로 크롬은 도움이 되고 몰리브덴은 그렇지 않습니다.. 304L은 약 60% 농도와 대기압 끓는점까지 널리 사용됩니다.

가성소다는 어떤 온도에서 스테인레스 스틸을 깨뜨릴 수 있나요?

소스는 농도, 응력, 균열 온도를 약 50도까지 낮출 수 있는 황화물과 같은 불순물에 따라 약 50~60도에서 최대 약 93도까지 다릅니다. 뜨겁고 강한 부식성은 니켈 200/201을 사용하는 것이 더 좋습니다.

유기용제는 스테인리스 스틸을 부식시키나요?

일반적으로 그 자체로는 그렇지 않습니다. 염산을 형성할 수 있는 물, 염화물 또는 염소화 용매의 가수분해로 인해 문제가 발생합니다. 용매를 건조하고 안정화된 상태로 유지하고 염화물이 존재할 수 있는 경우에는 316L을 선호합니다.

PREN은 무엇을 말합니까?

PREN은 크롬, 몰리브덴 및 질소를 사용하여 염화물 피팅에 대한 저항성을 평가합니다. 이는 산성 부식이나 응력 부식 균열을 예측하지 않습니다.