인산 증발기의 Hastelloy G-30: 열 교환기 튜브 성능 데이터 - 지식

하스텔로이 G-30 (UNS N06030)니켈-크롬-철 합금 용도로{2}}습식-공정 인산(P2O5) 증발기 튜빙용으로 제작되었으며, 플로리다 생산업체의 실제 습식-공정 산을 사용하여 36%, 48%, 54% P2O5 및 121도에서 Haynes International의 자체 현장-시뮬레이션 테스트 -를 수행했습니다.- 시약-등급 실험실 데이터를 백업합니다. G-30은 습식 공정 산의 산화 성분에 대한 저항성을 위한 고크롬(30%)과 모든 증발기 트레인에 존재하는 황산 불순물에 대한 저항성을 위한 적당한 몰리브덴 및 구리(5.5% 및 2%)를 결합합니다.

Hastelloy G-30 in Phosphoric Acid Evaporators

증발기 서비스에 대한 가장 중요한 특성은 벌크 내산성이 아니라 증발기 튜브 표면에 필연적으로 쌓이는 스케일 아래의 염화물-에 의한 구멍 및 틈새 부식에 대한 저항이며, 증발기 튜브 표면에 쌓이는 침전물은 316L 및 254SMO 스테인리스강보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘합니다. G-30은 염산에서 합금 625보다 내부식성이 약간 더 높지만{8}}Haynes의 자체 비교 데이터에 따르면 황산에서는 625에 약간 뒤처지는 것으로 나타났습니다. 이는 더 많은 황산 오염을 수반하는 산 흐름에 대한 중요하고 정직한 경고입니다. 용접 후 내식성은 대부분의 조건에서 단조 모재 금속에 가깝게 유지되며 구리 합금에 비해 G-30의 낮은 열 전도성은 실제로 합금이 허용하는 훨씬 더 얇은 부식 허용량으로 상쇄됩니다.

G-30의 화학 - 적당한 몰리브덴과 구리 첨가물 -이 포함된 고크롬은 습식 공정 인산에서 발견되는 특정 오염 물질 조합을 처리하기 위해 의도적으로 설계되었으며 Haynes International은 P2O5 증발기 튜브를 이 합금의 두 가지 주요 용도 중 하나로 지정합니다.

원소(중량%)	하스텔로이 G-30 (N06030)
니켈	균형
크롬	30
철	15
몰리브덴	5.5
텅스텐	2.5
구리	2
니오브	0.8
코발트	최대 5개
망간	최대 1.5
규소	최대 0.8
탄소	최대 0.03
UNS 지정	N06030

출처: Haynes International 공칭 구성 데이터 시트, HASTELLOY G-30 합금.

높은 크롬 함량은 G-30에 습식-공정 산의 산화 특성과 질산 및 질산-혼합물에 대한 강한 저항성을 부여하는 반면, 몰리브덴 및 구리 첨가는 상업용 인산에 불순물로 존재하는 염산 및 황산과 같은 환원산에 대해 적당한 저항성을 제공합니다-. Haynes International은 또한 G-30이 이 서비스에서 일반적으로 대체하는 오스테나이트 스테인리스강보다 염화물로 인한 응력 부식 균열에 덜 민감하다는 점에 주목합니다. 이는 증발기 시작 및 종료 중에 반복적인 열 순환이 발생하는 튜브 번들에 직접적으로 중요합니다.

습식-인산은 주로 인산 자체가 아니라 인산에 용해되어 있기 때문에 부식성이 있습니다. 미반응 황산, 금속 이온, 불화물 이온, 염화물 이온 및 실리카와 같은 부유 입자는 모두 P2O5와 함께 이동하며 이들 중에서 염화물 이온은 튜브 수명을 결정하는 전기화학적 공격의 주요 동인입니다.

"습식{0}}인산은 인광석을 황산과 반응시켜 만들어지며, 생산 시 황산칼슘 부산물에서 분리하는 데 필요한 헹굼 물의 양이 많기 때문에 P2O5 함량이 약 30%에 불과합니다. 불화물 이온은 용액 내 금속 이온과 안정한 복합체를 형성하는 경향이 있으므로 산과 금속 표면 사이의 전기화학적 반응에 큰 영향을 미치는 염화물 이온보다 튜브 재료에 대해 덜 공격적입니다. 이것이 바로 증발기 튜빙용 합금 선택이 산의 공칭 인산 강도보다 염화물-공식 및 틈새-부식 저항에 의해 더 많이 결정되는 이유입니다.

증발 공정 중 P2O5 농도는 일반적으로 일련의 증발기 단계를 거쳐 약 30%에서 최대 약 54%까지 증가합니다. 농도가 높을수록 부식성이 높아지는 것을 의미하지만 Haynes International은 가장 중요한 염화물을 포함한 불순물 수준 - -이 산이 더 농축됨에 따라 떨어지는 경향이 있기 때문에 이 효과가 부분적으로 상쇄된다고 지적합니다.

Haynes International은 세 가지 실제 생산 농도(36%, 48%, 54% P2O5) 및 121도(250°F)에서 플로리다 인산염 생산업체가 공급한 실제 습식-산에서 실시한 현장-대표 테스트를 통해 시약-등급 실험실 데이터를 뒷받침하며, 시약 등급보다 작동 증발기에 훨씬 가까운 조건에서 G-30을 경쟁사 스테인리스강과 직접 비교합니다. 비커 테스트.

How Does G-30 Perform in Real Wet-Process Acid Not Just Reagent-Grade Acid

이러한 구별은 데이터 시트에서 튜브 재료를 지정하는 모든 사람에게 중요합니다. 시약{0}}등급 부식 표(정밀성과 반복성을 위해 이 문서 전체에서 사용됨)는 산 농도와 온도의 영향만 분리하는 반면, 실제 습식{1}}공정 산은 위에서 설명한 불화물, 염화물, 황산염 및 미립자 부하를 추가합니다. 생산 관련 농도에서 전용 실제 산-비교-를 실행하기로 한 Haynes International의 결정은 의미 있는 실사이며, 이것이 G-30이 이 응용 분야에서 순전히 이론적인 기록이 아닌 진정한 현장 검증 기록을 전달하는 이유입니다.

인산 공정 특허에 보고된 독립적인 현장 및 파일럿{0}} 데이터는 더 넓은 Hastelloy G 합금 제품군에 대한 더 장기적인{2}} 데이터 포인트를 추가합니다. 인산염 분해 실험에서 Hastelloy G 합금 임펠러는 한 세트의 분해 조건에서 Alloy 625의 연간 8.35mil에 비해 연간 6.67mil의 부식률을 기록했고, 한 세트의 분해 조건에서 부식율은 11.71mpy를 기록했습니다. 더 높은-산화-잠재적 조건에서 625의 경우 15.77mpy입니다. 이 수치는 G-30이 아닌 일반적인 G{12}}계 합금을 구체적으로 설명하지만 Haynes의 자체 데이터에서 보여 주는 동일한 방향적 결론을 확증합니다. G-계열 니켈-크롬-철 합금은 실험실뿐만 아니라 실제 인산 생산 환경에서 625에 대해 잘 견딥니다.

끓는 인산에서 G-30의 부식 속도는 50%에서 85% 농도까지 꾸준히 증가하지만, 상업용 습식 공정 농도의 일반적인 약 54% P2O5 종말점을 포함하여 증발기 트레인이 볼 수 있는 전체 범위에 걸쳐 낮게 유지되고 관리 가능한 수준(0.01-0.84mm/y)을 유지합니다.

인산 농도	G-30, 비등 (mm/y)
50%	0.01
60%	0.14
70%	0.35
80%	0.61
85%	0.84

출처: Haynes International 시약-등급 인산 부식표, HASTELLOY G-30 합금 데이터 시트.

대부분의 상업용 습식{0}}공정 열차는 최종 농도 약 54% P2O5를 목표로 하기 때문에 튜브 설계자는 아래에 설명된 염화물로 인한 추가 국부 부식 위험을 고려하기 전에 G-30 시약-등급 부식률이 수십 년의 튜브 설계 수명 동안 편안한 부식 허용 범위 내에서 해당 끝점에서 0.1-0.2mm/y 범위-에 있을 것으로 예상할 수 있습니다.

Haynes International의 자체 비교 플롯에서는 G-30이 염산과 황산 모두에서 316L 및 254SMO 스테인리스강보다 앞서고 특히 염산에서 Alloy 625보다 앞서는 것으로 나타났습니다. 그러나 Haynes는 G-30의 0.1mm/y 라인이 황산에서 625보다 약간 더 높다고 직접적으로 밝혔습니다. 즉, 황산 오염이 주요 문제인 곳에서는 625가 작은 우위를 점한다는 의미입니다.

이는 사양 결정을 위한 유용하고 정직한 데이터 포인트입니다. G-30은 증발기에서 볼 수 있는 모든 산의 모든 경쟁 합금보다 보편적으로 앞서지는 않습니다. 주요 불순물이 암석- 분해 단계에서 이월된 황산인 경우 합금 625(또는 이 시리즈의 동반 기사에서 다룬 고-크롬 HASTELLOY G-35)는 약간의 추가 마진을 제공할 수 있습니다. 산이 특징적인 염화물 부하로 순수한 습식 공정 화학에 더 가까운 경우 G-30의 크롬, 몰리브덴 및 구리 균형은 특히 염산의 스테인리스강과 625에 비해 실질적인 이점을 제공합니다.

염화물-오염 조건 - 녹색 사멸 및 황사 - G-30은 먼저 55도에서 구멍이 생기고 45도(녹색 사멸) 또는 25도(황사)에서 틈새 공격이 나타납니다. 이는 정확히 튜브 표면에 스케일과 고형물이 쌓이면서 증발기 튜브 번들이 가장 많이 노출되는 고장 모드입니다.

테스트 솔루션	최저 피팅 온도	최저 틈새-부식 온도
녹색 죽음(11.5% H2SO4 + 1.2% HCl + 1% FeCl3 + 1% CuCl2)	55도	45도
황사(4% NaCl + 0.1% Fe2(SO4)3 + 0.021M HCl)	55도	25도

출처: Haynes International 공식 및 틈새 부식 데이터(24시간 테스트), HASTELLOY G-30 합금 데이터 시트.

이는 이 문서에서 운영상 가장 관련성이 높은 단일 데이터 세트입니다. 위의 농도표에 표시된 대량 내산성은 흐르는 산에 균일하게 노출된 깨끗한 튜브 표면에 어떤 일이 발생하는지 설명합니다. 실제 증발기 튜브는 배플 및 지지 플레이트에 스케일, 황산칼슘 침전물 및 정체 구역을 축적합니다. - 조건은 염화물을 국부적으로 농축하고 벌크 산의 공칭 작동 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 구멍이나 틈새 공격을 유발할 수 있습니다. G-30의 틈새 부식 임계값인 25-45도는 많은 설계에서 일반적인 증발기 작동 온도보다 높은 의미 있고 정량화된 여유이지만, 합금 선택에 관계없이 증착물 아래의 주기적인 기계적 세척 및 검사가 표준 관행으로 남아 있는 이유를 강조하기도 합니다.

예 - 표준 끓는점 45% 염화마그네슘 테스트(ASTM G36)에서,G-30168시간 동안 균열에 저항했으며, 이는 254SMO보다 약 7배, 316L보다 84배 더 길고 함께 테스트한 두 개의 비교 니켈 합금('28' 및 '31')보다 성능이 뛰어났습니다.

Is G-30 Resistant to Chloride Stress-Corrosion Cracking in Evaporator Service

합금	균열, 끓는 시간 45% MgCl2(ASTM G36)
316L 스테인레스	2 h
254SMO	24 h
합금 28	36 h
합금 31	36 h
하스텔로이 G-30	168 h

출처: Haynes International 응력-부식 균열 데이터(끓는점 45% MgCl2, ASTM G36), HASTELLOY G-30 합금 데이터 시트.

SCC 저항은 세 가지 성분 중 두 가지를 결합하기 때문에 증발기 튜브 번들에 중요합니다. SCC에는 염화물 함유 환경에 노출된 인장 응력(열 사이클링, 튜브 시트로의 롤링 또는 잔류 용접 응력으로 인한)에 민감한 재료가 - 필요합니다. 일반적인 서비스 조건보다 훨씬 더 가혹한 테스트에서 G-30의 약 168시간 임계값은 튜브 설계자에게 가장 흔히 저가형 대안으로 간주되는 스테인리스강에 비해 실질적이고 정량화된 안전 마진을 제공합니다.

G-30의 모든-용접-금속 부식률은 증발기 서비스와 관련된 대부분의 황산 및 염산 조건에서 단조 모재에 가깝게 유지됩니다. 단, 90% 황산은 용접 금속과 단조 모재 모두 급격하게 일치하는 상승을 나타냅니다. - 이는 부식 증가가 용접 특정 약점이 아닌 진정한 화학적 한계를 반영한다는 것을 의미합니다.

상태	용접금속(mm/y)	단조 모재(mm/y)
H2SO4 30%, 66도	<0.01	<0.01
H2SO4 50%, 66도	0.01	0.01
H2SO4 70%, 66도	0.14	0.11
H2SO4 90%, 66도	2.60	2.61
HCl 5%, 38도	<0.01	0.33
HCl 10%, 38도	0.70	0.44
HCl 15%, 38도	0.64	0.66
HCl 20%, 38도	0.52	0.30
HNO3 70%, 끓는점	0.14	0.14

출처: Haynes International 전체-용접-금속(멀티-패스 GMAW 십자형) 대 가공 베이스-금속 부식 데이터, HASTELLOY G-30 합금 데이터 시트.

용접 튜브(ASTM B619/B626)로 제조되거나 튜브-대-튜브 시트 용접이 필요한 증발기 튜브 번들의 경우, 이 데이터는 합금이 의도하는 대부분의 산성 조건에서 용접 영역에 대한 블랭킷 감소 없이 G-30을 지정하는 것을 지원합니다. 90% 황산 결과는 식물의 황산 잔존물이 튜브 벽에서 정기적으로 해당 농도에 도달하는 경우 G-35와 마찬가지로 G{11}}30이 올바른 선택이 아니라는 점을 상기시켜 줍니다. 이 조건에서는 625 이상의 크롬 함량이 높은 G-35 튜브가 보다 보수적인 사양이 됩니다.

G-30의 열 전도성(실온에서 약 10W/m· 정도, 400-600도에서 약 19-21 W/m· 정도까지 상승)은 구리 합금 및 심지어 탄소강의 열 전도율보다 훨씬 낮으므로 열-전달 면적과 튜브- 벽 두께는 합금의 전도성을 염두에 두고 크기를 조정해야 하지만 이러한 절충안은 매우 얇은 두께로 인해 상당히 상쇄됩니다. 부식 허용량 G-30은 더 두꺼운 벽과 비교하여 덜 저항적이고 더 저렴한 합금이 필요하도록 허용합니다.

재산	값
밀도(RT)	8.22g/cm3
열전도율, RT	10W/m·도
열전도율, 200도	14W/m·도
열전도율, 400도	19W/m·도
열전도율, 600도	21W/m·도
평균 CTE, 30-300도	14.3μm/m·도

출처: Haynes International 물리적 특성 데이터, HASTELLOY G-30 합금 데이터 시트.

이것은 진정한 엔지니어링 절충안이며 마케팅 측면에서 과장된 것이 아닙니다. 니켈-크롬-철 튜브 벽은 비슷한 두께의 구리 합금이나 탄소강 튜브에 비해 열을 현저히 덜 효율적으로 전도하므로 열교환기 열 설계(튜브 수, 길이 또는 벽 두께)는 열 전달 계산에서 이를 직접 고려해야 합니다.{4}} 실제로 증발기 설계자는 G-30의 내식성을 활용하여 탄소-강 또는 그보다 낮은-합금 설계에 필요한 것보다 더 얇은 튜브 벽을 지정함으로써 이를 상쇄합니다. 이는 낮은 전도성으로 인한 열 전달 패널티를 부분적으로 복구하는 동시에 저항성이 낮은 재료에 대한 부식 허용량에 따른 벽 두께 여유 없이 수십 년의 서비스 수명을 제공합니다.

G-30 증발기 튜빙은 ASTM/ASME B622/SB622에 따른 이음매 없는 튜브와 ASTM/ASME B619/B626 및 SB619/SB626에 따른 용접 튜브로 모두 제공되며, 압연-어닐링 처리되어 공급되며, 7% 이상을 생성하는 냉간 성형 또는 튜브 굽힘 작업 후에 다시 -어닐링해야 합니다. 전체 내식성을 복원하기 위한 외부 섬유 신장.

What Tube Product Forms and Standards Apply to G-30 Evaporator Tubing

제품 형태/요구 사항	하스텔로이 G-30 (N06030)
시트, 플레이트, 스트립	ASTM/ASME B582/SB582
빌렛, 로드, 바	ASTM/ASME B581 / SB581, B472
원활한 파이프 및 튜브	ASTM/ASME B622/SB622
용접 파이프 및 튜브	ASTM/ASME B619, B626 / SB619, SB626
피팅	ASTM/ASME B366, B462 / SB366, SB462
단조품	ASTM/ASME B462/SB462
코팅된 전극	AWS A5.11, ENiCrMo-11
벌거벗은 철사/막대	AWS A5.14, ERNiCrMo-11
Sour-서비스 자격	NACE MR0175 / ISO 15156
워크스토프 / DIN	2.4603, NiCr30FeMo

출처: Haynes International "사양 및 코드" 표, HASTELLOY G-30 합금 데이터 시트.

G-30의 어닐링 온도는 1,177도(2,150도 F)이며 물 담금질이 권장되지만 빠른 공기 냉각은 대부분의 증발기 튜브 벽 두께를 포함하는 범주인 10mm(0.375인치)-보다 얇은 구조에 적합합니다.- G-30은 오스테나이트 스테인리스강보다 단단하고 가공 경화가 더 쉽습니다. 이는 번들 제조 중 튜브 굽힘 및 팽창 작업에 직접적으로 중요하며 제조 순서에 계획되어야 합니다.

G-30은 전체 30-54% P2O5 농도 범위와 실제 습식{7}}공정 산에서 최대 121도까지 안정적으로 작동하지만 설계자는 지배적인 설계 제약으로 벌크 산 강도가 아닌 국부적인 염화물 오염-을 처리해야 하며 - 급격한 부식-속도 스파이크를 특별히 주의해야 합니다. G-30의 자체 염산 데이터는 특정 중간 농도 및 온도에서 나타납니다. 조합.

Haynes International의 염산 표는 일부 중간 조건에서 부식 속도가 급격히 증가하는 것을 보여줍니다. - 예를 들어 93도(200도 F)에서 2.5% HCl은 4.23mm/y로 점프하고, 끓는 2-2.5% HCl은 9.47-12.67mm/y에 도달합니다. 근처에 집중되어 있습니다. 이러한 종류의 비단조적 동작은 등부식 다이어그램과 농도표를 공칭 벌크 공정 농도뿐만 아니라 튜브 벽에서 예상되는 실제 국부 산성 화학(표면 바로에서의 끓음이나 증발로 인한 농도 효과 포함)에서 읽어야 한다는 점을 상기시켜 줍니다.

설계 및 운영 지침:공정 산의 염화물 및 유리-황산- 불순물 수준을 추적하세요. 이러한 - 공칭 P2O5 농도가 아님-이 실제로 튜브 부식 위험을 유발하기 때문입니다.
설계 및 운영 지침:G-30의 틈새 부식 임계값(가속 테스트에서 25~45도)은 파울링이 국부적으로 염화물을 집중시키는 곳이면 어디든 접근할 수 있으므로 스케일과 퇴적물에 대해 주기적인 기계 청소 및 검사 일정을 잡으세요.
설계 및 운영 지침:G-30의 자체 데이터에 따르면 불균형적인 부식 속도 스파이크가 나타나는 고온에서 국부적으로 염산을 2{2}}3% 범위로 농축하는 설계를 피하십시오.
설계 및 운영 지침:황산 잔존량이 비정상적으로 높거나 튜브 벽의 농도가 정기적으로 90%에 접근하는 경우 합금 625 또는 HASTELLOY G-35를 보다 보수적인 대안으로 평가하십시오.
설계 및 운영 지침:시운전 전에 내식성을 완전히 복원하려면 -외부 섬유 신장율이 약 7%를 초과하는 냉간 성형 또는 굽힘 작업 후 튜브를 다시 어닐링해야 합니다.-

Q: 인산 증발기 튜브에 Hastelloy G-30을 사용하는 이유는 무엇입니까?

A: G-30의 높은 크롬 함량은 습식-공정 인산 및 질산{3}} 오염의 산화 특성을 방지하는 반면, 몰리브덴 및 구리 함량은 모든 습식-공정 흐름에 존재하는 황산 불순물을 방지합니다. Haynes International은 시약-등급 및 실제 습식 공정 산 테스트를 모두 지원하는 합금의 두 가지 주요 응용 분야 중 하나로 P2O5 증발기 튜브를 지정합니다.

Q: G-30의 내식성은 상업용 증발기에 사용되는 전체 54% P2O5 농도에서 유지됩니까?

A: 예. 시약-등급 끓는 인산 데이터는 G-30의 부식 속도가 농도 범위에 걸쳐 점진적으로만 증가하고 편안한 설계 허용 범위 내에서 P2O5 - 약 54~60%의 0.1~0.2mm/y 범위에 머무르는 것을 보여줍니다.

Q: 증발기 서비스에서 G-30 튜브의 가장 큰 부식 위험은 무엇입니까?

A: 깨끗한 표면에 대한 균일한 산 공격이 아닌 스케일과 퇴적물 아래의 염화물-에 의한 구멍 및 틈새 부식입니다. 표준 가속 테스트는 25~55도에서 G-30의 공식 및 틈새 부식 임계값을 보여줍니다. 이는 합금 선택에 관계없이 오염 시 주기적인 청소 및 검사가 여전히 중요한 이유입니다.

Q: 인산 증발기용으로 Hastelloy G-30이 Alloy 625보다 우수합니까?

A: 어떤 불순물이 지배적인가에 따라 다릅니다. Haynes International의 자체 비교 데이터에 따르면 염산에서는 G-30이 625보다 앞서지만 황산에서는 625가 약간 우위를 점하고 있습니다. 황산 잔류량이 비정상적으로 높은 경우에는 625 또는 더 높은 크롬 함량의 HASTELLOY G-35가 보다 보수적인 사양일 수 있습니다.

Q: 용접은 증발기 튜브 제조에서 G-30의 내식성을 감소시키나요?

A: 일반적으로 아니요. 공개된 용접-금속-대-가공 데이터는 증발기 서비스와 관련된 대부분의 황산 및 염산 조건에서 약간의 차이만 보여줍니다. 용접 금속과 단조 모재 모두 테스트된 가장 가혹한 조건(90% 황산)에서만 일치하는 화학{4}} 구동 상승을 보여줍니다.

Q: G-30의 열전도율은 다른 열교환기 튜브 재료와 어떻게 비교됩니까?

A: G-30의 열전도율(상온에서 약 10W/m·도)은 구리 합금 및 탄소강보다 훨씬 낮으므로 열 전달 영역의 크기를 그에 맞게 조정해야 합니다.- 실제로 이는 G-30의 내식성이 동일한 사용 수명 동안 저항이 덜한 합금에 필요한 것보다 더 얇은 튜브 벽을 허용하기 때문에 부분적으로 상쇄됩니다.