Inconel 600 у каустичній содовому натрії: стійкість до корозійного розтріскування під напругою порівняно з нержавіючої сталі

Каустична сода (гідроксид натрію, NaOH) є однією з найбільш широко використовуваних промислових хімікатів на землі. Це основний продукт хлор-лужних заводів, він з’являється в целюлозі та папері, рафінуванні алюмінію, виробництві мила та миючих засобів, обробці текстилю та незліченних операціях очищення. Більшість інженерів використовують аустенітну нержавіючу сталь (марки 304 або 316) як матеріал за замовчуванням для трубопроводів і резервуарів, оскільки вона дешева, міцна та стійка до багатьох форм корозії. Однак у каустичної соди нержавіюча сталь має приховану слабкість: корозійне розтріскування під напругою (SCC).

Ця стаття відповідає на одне практичне запитання для проектувальників заводів, інженерів з технічного обслуговування та менеджерів із закупівель: коли йдеться про каустичну соду, чи варто вказувати нержавіючу сталь чи -сплав з високим вмістом нікелю, як-отІнконель 600? Ми порівнюємо ці два компоненти за складом, механізмом відмови, температурою та межами концентрації, вартістю та реальним-обслуговуванням і пропонуємо вам матрицю рішень, яку ви можете негайно застосувати.

Що таке корозійне розтріскування під напругою в каустичній соді і чому це має вас хвилювати?

Їдке корозійне розтріскування під напругою (каустичний SCC) — це раптове крихке руйнування металу, яке відбувається під дією напруги розтягування в гарячому концентрованому гідроксиді натрію. Він може розірвати трубу або посудину майже без видимого попередження та з невеликою попередньою втратою металу.

Корозійне розтріскування під напругою відрізняється від звичайної іржі або рівномірної корозії. У SCC повинні існувати три умови одночасно: (1) сприйнятливий матеріал, (2) корозійне середовище та (3) стійка напруга розтягування (від внутрішнього тиску, залишкової напруги під час зварювання або зовнішніх навантажень). Коли всі три вирівнюються, крихітні тріщини починаються на поверхні та тихо ростуть, доки стінка, що залишилася, більше не зможе витримувати тиск. Небезпека полягає в тому, що зовнішня сторона деталі може виглядати ідеально, поки вона не вийде з ладу.

• Це раптово: жодна велика втрата металу не передує виходу з ладу, тому під час перевірки-товщини стіни це не відбувається.
• Це катастрофа: тріснута лінія каустичної рідини може вивільнити гарячий концентрований NaOH, що становить серйозну загрозу безпеці.
• Це залежить-від навколишнього середовища: та сама нержавіюча сталь, яка роками витримує у воді, може тріснути за кілька тижнів у гарячій їдкій солі.

Чому нержавіюча сталь тріскається в їдкому натрі?

Нержавіючі сталі 304 і 316 містять лише від 8 до 14 відсотків нікелю, що значно нижче приблизно 35-відсоткового порогового вмісту нікелю, необхідного для стійкості до каустичної SCC. Їх хром-залізна матриця в основному чутлива до розтріскування,-спричиненого лугом.

Аустенітні нержавіючі сталі (серія 300) – це сплави на основі-заліза з приблизно 18 відсотками хрому та від 8 до 14 відсотків нікелю. Хром утворює їхню знамениту пасивну плівку (тонкий оксидний шар, який запобігає іржі), але ця плівка піддається впливу гарячої концентрованої їдкої речовини та руйнується. Як тільки захисна плівка локально пошкоджена, під напругою метал тріскається.

Два різних механізми SCC мають значення в каустичній службі:

• Каустичний SCC: викликається самим NaOH, особливо в гарячому та концентрованому стані. Це домінуючий режим відмови на заводах каустичної соди.
• Хлоридний SCC: спричинений хлоридами (поширені домішки в каустику та присутні в розсолі хлор-лугу). Відомо, що нержавіюча сталь вразлива до хлоридів SCC навіть за низьких температур.

Оскільки реальні потоки їдкої речовини часто містять домішки хлориду, нержавіюча сталь у каустичній експлуатації стикається з подвійною загрозою. Низький вміст нікелю в цьому металі є основною причиною обох недоліків.

Порівняння складу: нержавіюча сталь і інконель 600

Найважливішим числом у цьому порівнянні є вміст нікелю. Нікель є елементом, який надає імунітет до каустичної SCC.

При якій температурі та концентрації нержавіюча сталь руйнується каустиком?

Як правило, нержавіючу сталь 304/316 слід уникати при температурах вище приблизно від 50 до 80 градусів C (від 120 до 175 градусів F) у гідроксиді натрію, міцнішому приблизно на 10-20 відсотків, і це особливо небезпечно вище точки кипіння концентрованої каустичної речовини.

Ризик каустичної SCC різко зростає як з температурою, так і з концентрацією. Задокументовані галузеві рекомендації розміщують безпечний конверт для нержавіючої сталі серії 300 у каустику таким чином:

• Нижче приблизно 50 градусів C і нижче ~10% NaOH: 304/316 загалом прийнятний для багатьох послуг.
• від 50 до 80 °C з помірною концентрацією: ризик починає зростати; багато інженерів тут змінюють матеріали.
• Above ~80 deg C or in concentrated (>від 20 до 30%) кипляча їдка речовина: нержавіюча сталь серії 300 не підходить; можливе розтріскування.
• Будь-яка служба, яка поєднує гарячу їдку речовину з хлоридами: повністю уникайте нержавіючої сталі.

Зауважте, що сама вуглецева сталь також зазнає «їдкого окрихчення» в котлах при температурі вище приблизно 50 °C у концентрованому NaOH, тому навіть матеріали з нижчим -сплавом мають обмеження. Надійне рішення – перейти до сплаву, -збагаченого нікелем.

Чому Inconel 600 протистоїть їдкому корозійному розтріскуванню?

Inconel 600 містить мінімум 72 відсотки нікелю, що значно перевищує пороговий вміст нікелю приблизно в 35 відсотків, за якого сплави стають фактично стійкими до каустичної SCC, тому він не тріскається в нормальному робочому діапазоні каустичної дії.

Inconel 600 – це нікель-хромовий сплав, у складі якого переважає нікель (специфікація UNS N06600 вимагає принаймні 72% Ni, хрому – від 14 до 17% і заліза – від 6 до 10%). Цей високий вміст нікелю змінює поведінку сплаву в лугу двома способами:

• Збагачена-нікелем матриця не сприйнятлива до зернисто-країнної атаки, яка спричиняє їдкий SCC у нержавіючих-сталях на основі заліза.
• Пасивна плівка, яка утворюється на Inconel 600, залишається стабільною в гарячому концентрованому NaOH, запобігаючи локальному руйнуванню, яке викликає тріщини.
• Ось чому Inconel 600 десятиліттями був промисловим-стандартним матеріалом для труб і облицювання випарників і концентраторів каустичної соди. Його прізвисько в цій галузі по суті є «їдким сплавом».

Які практичні межі температури та концентрації для Inconel 600 у каустику?

Inconel 600 надійний у їдкому натрі при температурах приблизно до 290 °C (550 °F) і в повному діапазоні комерційних концентрацій; поза цією верхньою межею вкажіть інконель 690 або комерційно чистий нікель 200/201.

У звичайних діапазонах хлор-лужної та хімічної обробки Inconel 600 працює надзвичайно добре, зокрема в гарячій, концентрованій частині випарників каустичної речовини, які підвищують NaOH до 50 відсотків і вище. Практична стеля здається приблизно 290 °C (550 °F) і дуже високими концентраціями каустичної речовини (вище ~70% NaOH). У таких екстремальних умовах навіть Inconel 600 можна атакувати, і галузь просувається вгору:

• Inconel 600: каустична робота до ~290 °C, більшість завдань у концентраторі та випарнику.
• Інконель 690: кращий, коли потрібна стійкість до каустичної дії при найвищих температурах і підвищена стійкість до певних домішок.
• Нікель 200/201 (технічно чистий нікель): найкращий їдкий матеріал для найсуворішої гарячої, концентрованої роботи.

Inconel 600 проти нержавіючої сталі 304/316

Inconel 600 рішуче перемагає за стійкістю до каустичної SCC і високо-температурної каустичної роботи; Нержавіюча сталь 304/316 виграє за початковою вартістю матеріалів і загальною стійкістю до корозії в не-їдких середовищах. Правильний вибір повністю залежить від каустичної потужності.

Чи є Inconel 600 неправильним вибором для каустичної служби?

Yes. In very high-temperature, very high-concentration caustic (above ~300 deg C and >70% NaOH), або в каустику, забрудненому сполуками сірки або свинцю, Inconel 600 може бути атакований; перейти до Inconel 690 або нікелю 200/201. Також зауважте, що 600 не захищений від хлориду SCC, тому змішані потоки хлориду-плюс-каустик потребують ретельного перегляду.

Inconel 600 не є універсальним засобом. Два застереження важливі для специфікаторів:

• Надзвичайно їдкий: на самому верху діапазону температур і концентрацій стійкість до 600 знижується. Дослідження ядерної та -чистої-води (де сліди NaOH викликали SCC 600, що призвело до оновлення 690) показує, що сплав має верхню межу. Для найсильнішого комерційного каустика використовуйте нікель 200/201 або 690.
• Хлорид SCC: Inconel 600 стійкий до каустичної SCC, але не настільки хлорид{1}}стійкий, як Hastelloy C276. На хлор-лужному заводі каустична сторона надає перевагу 600, тоді як волога-хлорна/кислотна сторона надає перевагу Hastelloy C276 або Inconel 625. Ніколи не припускайте, що один сплав покриває обидві сторони установки.

Як це відбувається всередині хлор-лужної установки?

Iна хлор-лужному заводі Inconel 600 є стандартним вибором для гарячої, концентрованої каустичної сторони (випарники, концентратори та труби каустичної рідини), тоді як для хлорної та кислотної сторони потрібні різні сплави, такі як Hastelloy C276.

Це порівняння починає працювати саме на хлор-лужному заводі. Процес розщеплює розсіл на хлор і каустичну соду, і два потоки продуктів мають протилежні матеріальні потреби:

• Каустична сторона (гарячий, концентрований NaOH): Inconel 600 для труб випарника, внутрішніх частин концентратора та транспортних труб.
• Сторона хлору/гіпохлориту (мокра, окислювальна, -збагачена хлоридами): Hastelloy C276 або Inconel 625, а не 600 і, звичайно, не з нержавіючої сталі.
• Потоки розсолу та охолоджувача: нержавіюча сталь 316 може бути прийнятною, але перевірте рівні та температури хлоридів.
• Зазначення неправильного сплаву на неправильній стороні є поширеною та дорогою помилкою. Установіть відповідність між сплавом і конкретним потоком.

Наскільки Inconel 600 коштує більше, ніж нержавіюча сталь?

Inconel 600 зазвичай коштує приблизно в 5-8 разів дорожче, ніж нержавіюча сталь 316L за кілограм, але один каустичний розрив SCC зазвичай коштує набагато дорожче, ніж уся премія матеріалу, тому більш високий сплав часто є дешевшим вибором протягом усього терміну служби установки.

Вартість матеріалів є основною причиною, чому інженери вагаються відмовлятися від нержавіючої сталі. Премія реальна, але контекст має значення:

• Нержавіюча сталь 316L: базова вартість (1x).
• Інконель 600: приблизно в 5-8 разів дорожча за-кг вартості 316 л, яка змінюється залежно від ринкових цін на нікель.
• Вартість несправності: розрив SCC означає незаплановану зупинку, безпечний вплив, викид гарячої їдкої речовини в навколишнє середовище та аварійну заміну.
• Ці витрати зазвичай багаторазово перевищують економію матеріалів.

Корисне правило для закупівель: якщо каустичний обов’язок виходить за межі безпечної оболонки нержавіючої сталі, витрати на Inconel 600 – це зменшення ризику, а не розкіш.

Індекс відносної вартості (нержавіюча сталь 316L=1.0)

Який сплав слід вибрати для застосування каустичної речовини?

Використовуйте 316L лише для холодної, розбавленої їдкої речовини (нижче ~50 °C і нижче ~10% NaOH); використовуйте Inconel 600 для будь-якої гарячої або концентрованої їдкої речовини; і використовуйте нікель 200/201 для найсуворішої гарячої, концентрованої служби. Уникайте нержавіючої сталі скрізь, де хлориди присутні з теплом.

Застосуйте цю матрицю рішень до ваших умов обслуговування:

Які стандарти та марки застосовуються до Inconel 600?

Inconel 600 охоплюється UNS N06600, а найпоширенішими специфікаціями продукту є ASTM B166 (бар), B167 (труби), B168 (плита та лист) і B163 (конденсатор і теплообмінник).

Коли ви вказуєте Inconel 600, посилайтеся на номер UNS і відповідну форму продукту ASTM, щоб постачальники цитували той самий матеріал:

• UNS N06600 - універсальне позначення сплаву.
• ASTM B166 - прутки та форми з гарячою-обробкою та холодною{2}}обробкою.
• ASTM B167 - безшовні труби.
• ASTM B168 - плита, лист і стрічка.
• ASTM B163 - безшовні труби для конденсаторів і теплообмінників.
• NACE MR0175 / ISO 15156 - актуально для розгляду кислих-обслуговувань, де це можливо.

Як отримати Inconel 600 для каустичної служби?

Вимагайте UNS N06600 із Сертифікатом прокатного випробування (EN 10204 3.1), вкажіть умову-відпалу розчину, підтвердьте, що вміст нікелю становить щонайменше 72 відсотки, і вимагайте хімії в межах ASTM; також перевірте процедуру зварювання, якщо виготовлення включено.

Короткий контрольний перелік закупівель зменшує ризик отримання матеріалів, що не відповідають-специфікаціям:

• Вкажіть UNS N06600 і правильну форму продукту ASTM (B166/B167/B168/B163).
• Вимагати MTC відповідно до EN 10204 3.1 із повними хімічними та механічними показниками.
• Для оптимальної стійкості до корозії необхідний розчин-відпаленого (відпаленого) стану.
• Confirm nickel >= 72% і хрому від 14 до 17% у відомій хімії.
• Вкажіть умови експлуатації каустика (температура, концентрація, домішки), щоб млин міг надати консультацію.
• Для зварного виробництва потрібен відповідний наповнювач NiCr-3 (ERNiCr-3) і кваліфікований WPS.

Часті запитання

З: Чи можна взагалі використовувати нержавіючу сталь 316 для каустичної соди?

A: Так, але лише для холодної, розбавленої їдкої речовини (нижче приблизно 50 °C і нижче приблизно 10% NaOH) без значного вмісту хлориду. Якщо ви перевищите ці межі, ризик корозійного розтріскування під напругою швидко зростає, і безпечнішим вибором є високо-нікелевий сплав, як-от інконель 600.

Q: Яка різниця між хлоридним SCC і каустичним SCC?

A: Хлоридний SCC розтріскується через хлориди (поширені в морській воді та розсолі) і впливає на нержавіючу сталь навіть за помірних температур. Caustic SCC приводиться в рух самим гарячим концентрованим гідроксидом натрію. У їдких заводах може мати місце і те, і інше, тому нержавіюча сталь є поганим вибором, а сплави з високим -нікелем є кращими.

Питання: Чому вміст нікелю є ключовим фактором стійкості до каустичної SCC?

A: Досвід промисловості та випробування показують, що сплави з вмістом нікелю понад 35 відсотків ефективно стійкі до каустичної SCC. Нержавіюча сталь містить лише від 8 до 14 відсотків нікелю, тоді як Inconel 600 має принаймні 72 відсотки, тому багатий на нікель-сплав виживає там, де нержавіюча сталь тріскається.

Питання: Чи є Inconel 600 таким же, як Inconel 601 або 625?

Відповідь: Ні. Інконель 600 – це сплав із ~72% нікелю та від 14 до 17% хрому, найбільш відомий як каустик. Inconel 601 має більший вміст алюмінію для стійкості до окислення, а Inconel 625 додає молібден для кращої стійкості до хлориду та точкової корекції. Вони не є взаємозамінними без перегляду.

Питання: Чи може Inconel 600 витримувати кипіння 50% каустичної солі?

A: Так. Кип’ятіння та концентрування 50% їдкої соки є основним застосуванням Inconel 600 у випарниках і концентраторах, цілком у межах його можливостей приблизно до 290 °C.

З: Який зварювальний наповнювач слід використовувати для Inconel 600 у каустику?

A: Стандартним відповідним наповнювачем є ERNiCr-3 (NiCr-3), який використовується з кваліфікованою процедурою зварювання та належною чистотою після зварювання для збереження стійкості до корозії.

Питання: каустична крихкість – це те саме, що корозійне розтріскування?

A: Вони тісно пов'язані. «Каустична крихкість» — це історичний термін для SCC котлів із вуглецевої та низько-легованої сталі в концентрованому NaOH. Сучасний, більш широкий термін – це корозійне розтріскування під напругою, яке також впливає на нержавіючу сталь.

З: Де саме Inconel 600 використовується в їдких заводах?

A: Головним чином у випарниках і концентраторах каустичної соди (трубки та внутрішні елементи), трубопроводах для передачі гарячої каустичної рідини та обладнанні, що працює з концентрованим NaOH при високій температурі.