ما هو المفاعل المقاوم للتآكل؟ المواد والتصميم والتطبيقات

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو المفاعل المقاوم للتآكل، وكيف يتم اختيار المواد لبيئات المعالجة الكيميائية العدوانية؟المفاعل المقاوم للتآكل هو وعاء ضغط مصنوع من سبائك خاصة أو معادن مغلفة أو مواد مركبة غير معدنية مصممة لتحمل الهجوم التآكل من الأحماض القوية (HCl ، H2SO4 ،HNO3)المواد المستخدمة في التصنيع والصناعة، والحلول القلوية (NaOH، KOH) ، والكلوريدات، ووسائط الأكسدة عند درجات الحرارة والضغوط المرتفعة. يعتمد اختيار المواد على عدد معادل مقاومة الحفر (PREN = %Cr + 3.3 × % Mo + 16 × % N)، مع قيم 26+ لـ 316L ، 35+ لـ 904L ، 42+ لـ 254 SMO ، و 52+ لـ Hastelloy C-276. تظهر المواد المقبولة معدلات تآكل موحدة أقل من 0.1 مم / سنة في ظل ظروف التصميم.المواد الشائعة تشمل Hastelloy C-276/C-22، الصف التيتانيوم 2، الزركونيوم، التنتالوم، الصلب المغطى بالزجاج، والفولاذ الكربوني المغطى بـ PTFE/PFA، كل واحد منهم تم اختياره لوسائط معينة، درجة حرارة،والغلافات الضغطية حسب معايير NACE MR0175 و ASME القسم الثامن.

1مبادئ اختيار المواد الأساسية للمفاعلات المقاومة للتآكل

اختيار مواد المفاعل المقاومة للتآكل يتبع ثلاثة مبادئ هندسية:

• عدد مكافئ مقاومة الحفر (PREN) ودرجة حرارة الحفر الحرجة (CPT)يحدد PREN مقاومة سبيكة للهجوم الموضعي على الكلوريد: PREN = %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N. لـ 316L (Cr 17 ، Mo 2.5، N 0.06) ، PREN = 26.2؛ بالنسبة لـ 254 SMO (Cr 20, Mo 6.2، N 0.22) ، PREN = 46.4؛ لـ Hastelloy C-276 (Cr 16 ، Mo 16 ، N 0) ، PREN = 68.8تحدد درجة الحرارة الحرجة للثقب (CPT لكل ASTM G150) أدنى درجة حرارة تبدأ فيها الثقب في 1 M NaCl: 316L يفشل عند 5-15C ، 904L عند 25-35C ، 254 SMO عند 70-80C ،و Hastelloy C-276 فوق 90C.
• تقييم التشقق الكالفاني والشقوق والتآكل الإجهادي (SCC)تتجاوز توافق المواد التآكل الموحد. يحدث التآكل الكهربائي عندما تخلق المعادن المختلفة (على سبيل المثال، شراع التيتانيوم على وعاء الفولاذ الكربوني) خلايا الكهروكيميائية.يبدأ تآكل الشق تحت الغطاء، الرواسب، أو اختراق اللحام غير الكامل في بيئات الكلوريد (ASTM G48).316) أعلى من 60 درجة مئوية عند تركيزات الكلوريد أعلى من 10 جزء في المئة، والتي تتطلب سبائك ثنائية (2205) أو فائقة الاستينيتية. يؤثر التشقق التآكل الضغط الكاوستي على الفولاذ الكربوني فوق 80C في تركيزات NaOH فوق 10٪.
• أنظمة الغطاء وحماية الحواجزعندما يكون بناء سبيكة صلبة أمرًا محظورًا من الناحية الاقتصادية ، توفر غطاء الحاجز حماية من التآكل على أسطوانات الصلب الكربوني.الغطاء الزجاجي (المينا الزجاجية) يدمج الزجاج البوروسيليكات إلى الصلب عند 800-900C، لتحقيق مقاومة كيميائية لمعظم الأحماض (باستثناء HF و H3PO4 المركزة الساخنة) مع خشونة السطح Ra < 0.1 ميكرون.البطانة PTFE/PFA (التجويف أو ورقة فضفاضة) توفر مقاومة لجميع المواد الكيميائية تقريبًا حتى 180-200C (PTFE) أو 260C (PFA)إن غطاء التنتاليم المقوى يعطي مقاومة لـ HCl المركز و H2SO4 و aqua regia عند درجات حرارة تصل إلى 200C.

2المواد الرئيسية للمفاعلات المقاومة للتآكل

يتم تصنيف مواد المفاعل الصناعية المقاومة للتآكل حسب عائلة السبائك وتطبيقها:

• سبائك النيكل الموليبدينوم الكروم (سلسلة هاستيلو)يقدم Hastelloy C-276 (Ni 57 ، Mo 16 ، Cr 16 ، Fe 5 ، W 4) مقاومة HCl في جميع التركيزات تصل إلى 70C ، H2SO4 تصل إلى 60٪ و 100C ، وكلوريد مياه البحر فوق 90C CPT.,Cr 22، Mo 13) يوفر مقاومة متفوقة للأحماض المأكسة (مزيجات HNO3، HNO3+HCl). هذه السبائك هي القياسية في تركيب API الصيدلانية، إزالة الكبريت من غاز الدخان،وتجهيز الكلور والقلي، مع معدلات تآكل موحدة أقل من 0.05 ملم / سنة.
• المعادن التفاعلية للتيتانيوم والزيركونيومالتيتانيوم الصف 2 (Ti 99.2في 0.3، O 0.25) تشكل فيلم TiO2 السلبي مما يوفر مقاومة الكلور الرطب، الكلوريت، هيبوكلوريت، والأحماض المأكسة (HNO3 تصل إلى 65٪ والغليان).يتم تحليل السلبية في الأحماض المقللة (HCl > 5٪)، H2SO4 > 5٪) فوق 40C. الزركونيوم (Zr 702) يقدم مقاومة متفوقة لجميع تركيزات HCl حتى الغليان ، H2SO4 حتى 70٪ و 200C ، و NaOH في جميع التركيزات.كلا المعادن تتطلب لحام دقيق (TIG(غاز التطهير) لمنع الهشاشة.
• مفاعلات الفولاذ المغطاة بالزجاج ومغطاة بـ PTFEيجمع الصلب المغطى بالزجاج بين السلامة الهيكلية للفولاذ الكربوني ومقاومة الزجاج البوروسيليكات للكيماويات (pH 1-14, جميع الأحماض باستثناء HF وH3PO4 المركزة الساخنة).الصلة الزجاجية إلى الفولاذ تتحمل الصدمة الحرارية من 120C الفرقالفولاذ المغطى بـ PTFE / PFA يوفر مقاومة كيميائية شبه عالمية لـ 180-260C مع ميزة مقاومة HF ، والتي لا يمكن أن يتحملها الزجاج.مع اختبار الشرارة (4-6 كيلو فولت) للكشف عن العطلات حسب NACE SP0188.

مصفوفة مقارنة مواد المفاعل المقاومة للتآكل

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هو عدد معادل مقاومة الحفر (PREN) وكيف يتم استخدامه لاختيار مواد المفاعل؟

ج: PREN = %Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N. إنه يحدد كمية مقاومة سبيكة للتآكل المحدد من خلال حفر الكلوريد. المواد ذات PREN <26 (304 ، 316) عرضة لتآكل الكلوريد فوق 60C.PREN 32+ (duplex 2205) مناسبة لتعرض معتدل للكلوريد. برين 42+ (254 SMO، 904L) مقاوم لتحطيم مياه البحر. برين 52+ (هاستيلوي سي-276) يوفر أعلى مقاومة، مع درجة حرارة الحرجة فوق 90C في 1 M NaCl.PREN هو مقياس الفحص الرئيسي لاختيار مواد المفاعل في البيئات التي تحتوي على الكلوريد.

س: ما هي مواد المفاعل الموصى بها لمعالجة حمض الفلورية الهيدروكيرية (HF) ؟

ج: حمض الفلورية الهيدروية يهاجم الزجاج والسيليكا ومعظم المعادن. المواد الموصى بها هي PTFE أو الفولاذ الكربوني المغطى بـ PFA (مقاوم لجميع تركيزات HF تصل إلى 180 درجة مئوية لـ PTFE ، 260 درجة مئوية لـ PFA)مونيل 400 (سبائك النيكروكربون)، مقاومة لـ HF بدون ماء و HF مائية تصل إلى 60 ٪ عند درجات الحرارة المعتدلة) ، وأسطوانات المغنيسيوم (لـ HF بدون ماء). لا ينصح بـ Hastelloy C-276 و Titanium لخدمة HF ،كما أيونات الفلورايد تذوب أشرطة أكسيداتهم السلبيةتنطبق معايير تفتيش الغطاء NACE SP0188.

س: ما هو التشويش التآكل الكلوريد الضغط (Cl-SCC) وكيف يؤثر على اختيار مواد المفاعل؟

ج: Cl-SCC هي آلية التكسير التي تؤثر على الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (304، 316L) عند تعرضه لأيونات الكلوريد (حتى عند تركيز 10 جزء في المئة) في درجات حرارة فوق 60 درجة مئوية.الكلوريد يخترق فيلم الأكسيد السلبي في نقاط تركيز الضغط (الحوائط، المناطق التي يتم العمل عليها باردة) ، مما يبدأ الشقوق عبر الكريات أو بين الكريات التي تنتشر بسرعة. يتطلب الوقاية التحول إلى الفولاذ المقاوم للصدأ الثنائي (2205 ، PREN 35 +) للتعرض المعتدل لكلوريد ،أو سوبر أوسنيتي / سوبر دوبلكس (2507، PREN 42+) لبيئات عالية الكلوريد + درجة حرارة.

س: كيف يتم اختبار الصلب المغطى بالزجاج لتحقيق سلامة الغطاء بعد التصنيع أو الإصلاح؟

ج: يتم التحقق من سلامة الصلب المغطى بالزجاج عن طريق اختبار الشرارة (اكتشاف الإفراج عن الجهد العالي عند 4-6 كيلو فولت حسب ASTM D5162) الذي يحدد الثقوب والشقوق والإفراج في رابطة الزجاج إلى الصلب.تشمل الاختبارات الإضافية اختبار اختراقات الصبغة للشقوق المرئية، قياس سمك (على الأقل 0.8 ملم لكل DIN 28062) ، واختبار الصدمة الحرارية بين الماء البارد والبخار.وأي عطلة وجدت تتطلب إعادة الزجاج (إعادة إطلاق النار في 800-900C) أو إصلاح رقعة ورق الذهب للعيوب الصغيرة.