Hastelloy C2000 và C276: Hợp kim chống ăn mòn phổ biến-cho môi trường axit hỗn hợp

Hastelloy C2000(UNS N10200, 23Cr-16Mo-1.6Cu) được phát triển đặc biệt để khắc phục hạn chế của C276 (UNS N10276, 15Cr-16Mo-4W) trong môi trường axit oxy hóa-khử hỗn hợp. C2000 có khả năng kháng axit sulfuric vượt trội (đặc biệt là 10-60% ở 50-100 độ C), axit nitric, clo ướt và các dòng axit hỗn hợp, trong khi C276 vẫn là lựa chọn ưu tiên trong các axit khử tinh khiết (HCl ở mọi nồng độ, pha loãng H2SO4 dưới 10%) do hàm lượng Mo và W cao hơn. C2000 có chi phí cao hơn khoảng 15-25% so với C276 nhưng loại bỏ nhu cầu nâng cấp hợp kim trong dịch vụ axit hỗn hợp, giảm tổng chi phí dự án xuống 20-40% trong các ứng dụng đó.

Điều gì làm cho C2000 khác với C276?

C2000 được thiết kế dưới dạng hợp kim niken 'phổ quát' bằng cách thêm 1,0-1,6 phần trăm đồng vào bazơ Cr-Mo (23Cr-16Mo) cung cấp khả năng chống chịu đồng thời với cả môi trường oxy hóa và khử, trong khi hàm lượng Cr thấp hơn (15 phần trăm) và thiếu Cu của C276 khiến nó chỉ vượt trội trong môi trường khử nhưng gặp khó khăn trong các dòng axit oxy hóa hoặc hỗn hợp.

Haynes International đã phát triển C2000 vào những năm 1990 để giải quyết hạn chế quan trọng của C276: hiệu suất kém trong môi trường axit oxy hóa. C276 với 14,5-16,5% Cr không thể tạo thành màng thụ động ổn định trong môi trường oxy hóa mạnh như axit nitric (HNO3) hoặc trong dòng axit hỗn hợp nơi các chất oxy hóa và khử cùng tồn tại.

Giải pháp là tăng Cr lên 22-24 phần trăm (tương tự như mức của 625) và thêm 1,0-1,6 phần trăm Cu, giúp cải thiện đáng kể khả năng kháng axit sulfuric và hỗn hợp môi trường oxy hóa-khử. C2000 cũng không có vonfram (không giống như 3-4,5% W của C276), giúp giảm giá thành và đơn giản hóa cấu trúc vi mô của nó nhưng cũng làm giảm nhẹ hiệu suất của nó trong môi trường axit khử tinh khiết. Việc bổ sung đồng vào C2000 hoạt động thông qua hai cơ chế: (1) nó làm tăng thế năng của hợp kim trong axit sulfuric, chuyển nó sang vùng thụ động ở nồng độ axit thấp hơn; và (2) nó tạo thành màng sunfua đồng chống lại sự tấn công trong môi trường axit hỗn hợp. Kết quả là một hợp kim được Haynes mô tả là 'hợp kim niken rèn có khả năng chống ăn mòn phổ biến nhất hiện có', trong khi C276 vẫn là tiêu chuẩn cho axit khử nguyên chất và dịch vụ chua khắc nghiệt nhất.

Nguồn: Bản tin kỹ thuật Haynes International C2000 H-2014; Bản tin kỹ thuật C276 H-2002; Bài báo trình bày tại CORROSION 2000, NACE.

Sự khác biệt hóa học giữa C2000 và C276 là gì?

C2000 có hàm lượng crom cao hơn đáng kể (22-24% so với 14,5-16,5%) và molypden cao hơn một chút (15-17% so với 15-17%) so với C276, cộng thêm lượng đồng bổ sung quan trọng 1,0-1,6%, trong khi C276 có 3-4,5% vonfram mà C2000 không có, khiến C2000 được tối ưu hóa cho môi trường oxy hóa và C276 được tối ưu hóa để khử phương tiện truyền thông.

So sánh hóa học giữa C2000 và C276 cho thấy sự cân bằng-cơ bản giữa khả năng oxy hóa và khả năng khử axit. Crom là nguyên tố thụ động chính: 22-24% Cr của C2000 cao hơn 50% so với 14,5-16,5% Cr của C276, và Cr cao hơn này là điều cho phép C2000 duy trì màng thụ động ổn định trong môi trường oxy hóa như axit nitric và clorua sắt. Hàm lượng molypden tương tự nhau ở cả hai hợp kim (15-17%), mang lại khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn kẽ hở tuyệt vời trong cả hai trường hợp.

Yếu tố khác biệt quan trọng là đồng: Việc bổ sung 1,0-1,6% Cu của C2000 là cải tiến quan trọng giúp cải thiện hiệu suất trong axit sulfuric và dòng axit hỗn hợp. Vonfram của C276 (3{12}}4,5 phần trăm) cung cấp thêm khả năng chống rỗ trong môi trường khử thuần túy nhưng không có trong C2000. Hàm lượng cacbon cực thấp ở cả hai hợp kim (tối đa 0,010 đối với C276, tối đa 0,015 đối với C2000), giúp ngăn chặn sự nhạy cảm trong quá trình hàn. Cả hai hợp kim đều không có chất bổ sung niobi hoặc titan, giữ cho cấu trúc vi mô hoàn toàn austenit và được ủ trong dung dịch một pha.

Bảng 1. So sánh thành phần hóa học (Thông số kỹ thuật ASTM B575 / Haynes)

Nguồn: ASTM B575-24; Haynes International H-2002 (C276) và H-2014 (C2000); Đăng ký UNS N10200 và N10276.

Làm thế nào để so sánh các đặc tính cơ học và giới hạn nhiệt độ?

C2000 và C276 có các đặc tính cơ học ở nhiệt độ phòng-rất giống nhau (sản lượng 283-310 MPa, độ bền kéo 690-760 MPa, độ giãn dài 40-45 phần trăm), nhưng C2000 có hàm lượng crom cao hơn một chút khiến nó dễ bị giòn hơn ở nhiệt độ trên 400 độ C trong môi trường có chứa lưu huỳnh, trong khi cả hai hợp kim đều có nhiệt độ sử dụng tối đa tương tự trong không khí sạch.

C2000 và C276 đều là hợp kim niken austenit được ủ trong dung dịch-có các tính chất cơ học tương tự ở nhiệt độ phòng. Giới hạn chảy (độ lệch 0,2 phần trăm) cho cả hai hợp kim nằm trong phạm vi 283-310 MPa đối với tấm và tấm ở điều kiện ủ{11}}dung dịch. Độ bền kéo là 690-760 MPa cho cả hai. Độ giãn dài là tuyệt vời ở mức 40-45 phần trăm đối với cả hai hợp kim, phản ánh cấu trúc vi mô một pha austenit của chúng.

Độ cứng tương tự nhau ở mức 85-95 HRB cho cả hai. Sự khác biệt chính xuất hiện ở nhiệt độ cao: C2000 với hàm lượng Cr cao hơn (22-24 phần trăm) dễ bị ảnh hưởng bởi-sự tấn công của lưu huỳnh ở nhiệt độ cao trong việc giảm bầu khí quyển chứa lưu huỳnh, với nhiệt độ tối đa được khuyến nghị là 400 độ C trong dịch vụ chứa H2S so với 450 độ C đối với C276.

Trong không khí sạch, cả hai hợp kim đều có nhiệt độ sử dụng tối đa tương tự nhau là khoảng 1040 độ C. Khả năng chống mỏi là tương tự nhau đối với cả hai hợp kim và cả hai đều có độ bền va đập tuyệt vời ở nhiệt độ đông lạnh xuống đến -196 độ C. Cả hợp kim đều không thể kết tủa-cứng lại, do đó độ bền không thể tăng lên thông qua xử lý nhiệt ngoài điều kiện ủ trong dung dịch.

Bảng 2. So sánh tính chất cơ học (Dung dịch được ủ, Nhiệt độ phòng)

Nguồn: ASTM B575-24; Bảng dữ liệu Haynes International H-2002 và H-2014; ASME BPVC Phần II Phần D (2023).

C2000 và C276 hoạt động như thế nào trong axit sunfuric?

C2000 vượt trội hơn đáng kể so với C276 trong axit sulfuric trên toàn bộ phạm vi nồng độ từ 10 đến 96 phần trăm, với tốc độ ăn mòn thường thấp hơn 3-10 lần trong phạm vi tới hạn 10-60 phần trăm mà hầu hết các thiết bị xử lý H2SO4 đều hoạt động.

Axit sunfuric là axit công nghiệp phổ biến nhất và ứng dụng quan trọng nhất của C2000 so với C276. Nguyên nhân nằm ở tính chất phân cực anốt của từng hợp kim trong H2SO4. Ở nồng độ thấp đến trung bình (10-60% H2SO4) và nhiệt độ 50-100 độ C, C276 với hàm lượng Mo cao và không có Cu ​​vẫn nằm trong vùng ăn mòn tích cực với tốc độ ăn mòn tương đối cao. C2000 với sự bổ sung Cu sẽ chuyển sang vùng thụ động ở những điều kiện này, làm giảm đáng kể tốc độ ăn mòn.

Dữ liệu ăn mòn đẳng nhiệt của Haynes International (H-2014) cho thấy trong 10% H2SO4 ở 80 độ C, C2000 ăn mòn ở tốc độ 0,01-0,05 mm/năm trong khi C276 ăn mòn ở tốc độ 0,05-0,15 mm/năm. Trong 50% H2SO4 ở 80 độ C, C2000 bị ăn mòn với tốc độ 0,02-0,08 mm/năm trong khi C276 ăn mòn ở tốc độ 0,20-0,50 mm/năm. Trong H2SO4 96% (bốc khói) ở 100 độ C, cả hai hợp kim đều hoạt động tốt (dưới 0,05 mm/năm) nhưng C2000 vẫn giữ được một chút lợi thế. Điều này làm cho C2000 trở thành lựa chọn ưu tiên cho cuộn làm mát axit sulfuric, tháp hấp thụ, bộ cô đặc axit và dây chuyền ngâm trong toàn ngành công nghiệp chế biến hóa chất.

Bảng 3. Tốc độ ăn mòn trong axit sunfuric (mm mỗi năm)

Nguồn: Dữ liệu ăn mòn đẳng nhiệt của Haynes International H-2002 và H-2014; Phương pháp A của ASTM G28; kinh nghiệm tổng hợp nhà máy hóa chất 1995-2020.

Làm thế nào để so sánh C2000 và C276 trong axit clohydric?

C276 là lựa chọn ưu tiên cho mọi nồng độ axit clohydric ở mọi nhiệt độ vì hàm lượng Mo và W cao hơn mang lại khả năng chống lại cơ chế ăn mòn tích cực của HCl vượt trội, trong khi C2000 hoạt động hiệu quả trong HCl loãng (dưới 5%) nhưng không được khuyến nghị cho HCl đậm đặc ở nhiệt độ cao.

Axit clohydric (HCl) là axit khử mạnh nhất đối với hợp kim niken vì các ion clorua tấn công mạnh vào màng thụ động và Mo là chất bảo vệ chính. Cả C276 và C2000 đều có cùng hàm lượng Mo (15-17%), nhưng C276 có cơ chế bảo vệ bổ sung ở dạng W (3-4,5%), góp phần vào sự thụ động trong HCl. C2000 không có W và hàm lượng Cr cao hơn nên không giúp ích gì trong môi trường khử mạnh của HCl.

Khi đun sôi 1% HCl, C2000 bị ăn mòn ở mức 0,05-0,15 mm/năm, tương tự như C276 là 0,03-0,10 mm/năm. Khi đun sôi 5% HCl, C2000 bị ăn mòn ở tốc độ 0,20-0,50 mm/năm trong khi C276 là 0,50-1,00 mm/năm (C276 kém hơn một chút ở nồng độ này do Cr cao hơn trong C276 không giúp ích gì). Trong 10% HCl ở 80 độ C, C2000 ăn mòn ở tốc độ 0,10-0,30 mm/năm trong khi C276 ăn mòn ở tốc độ 0,20-0,50 mm/năm (C2000 thực sự tốt hơn ở đây do có thêm Cu).

Tuy nhiên, trong HCl đậm đặc (20-37 phần trăm) ở nhiệt độ cao, C276 với bổ sung W và hiệu suất Mo cao hơn là lựa chọn tiêu chuẩn và C2000 không được khuyến khích. Đối với dịch vụ HCl, hướng dẫn tiêu chuẩn của ngành là: HCl lạnh pha loãng (dưới 5 phần trăm, dưới 50 độ C) hoặc hợp kim đều được chấp nhận; HCl vừa phải (5-15 phần trăm, 50-80 độ C) C276 được ưu tiên; HCl đậm đặc (lớn hơn 20 phần trăm, ở bất kỳ nhiệt độ nào trên phòng) cần có C276.

Bảng 4. Tốc độ ăn mòn trong axit clohydric (mm mỗi năm)

Nguồn: Haynes International H-2002 và H-2014; Cẩm nang ASM Tập. 13Ăn mòn (2003); dữ liệu hiện trường nhà máy hóa chất.

Làm thế nào để chúng so sánh trong môi trường axit nitric và axit hỗn hợp?

C2000 với 22-24% Cr vượt trội đáng kể so với C276 trong axit nitric và là sự lựa chọn rõ ràng cho môi trường axit hỗn hợp nơi các chất oxy hóa và khử cùng tồn tại, trong khi C276 hoạt động kém trong HNO3 và không nên được chỉ định cho các dòng axit hỗn hợp.

Axit nitric (HNO3) là một axit có tính oxy hóa mạnh và crom là nguyên tố thụ động chính. C2000 với 22-24% Cr tạo thành màng thụ động ổn định hơn nhiều trong HNO3 so với C276 chỉ có 14,5-16,5% Cr. Khi đun sôi HNO3 65%, C2000 ăn mòn với tốc độ 0,10-0,30 mm/năm trong khi C276 ăn mòn với tốc độ 0,50-1,00 mm/năm. Sự khác biệt này rất quan trọng đối với các quy trình liên quan đến dòng axit hỗn hợp, vốn là một trong những môi trường ăn mòn thách thức nhất trong ngành hóa chất. Môi trường axit hỗn hợp (như hỗn hợp HF-HNO3 dùng trong tẩy gỉ thép không gỉ, hoặc hỗn hợp H2SO4-HNO3 trong sản xuất phân bón) chứa đồng thời cả hai chất oxy hóa và chất khử.

C276 vượt trội trong môi trường khử thực sự bị tấn công mạnh mẽ trong điều kiện oxy hóa vì hàm lượng Cr của nó không đủ để duy trì màng thụ động. C2000 với lượng bổ sung Cr và Cu cao hơn sẽ xử lý các môi trường hỗn hợp này một cách duyên dáng. Trong nước cường toan (3HCl-1HNO3), C2000 ăn mòn ở tốc độ 0,10-0,30 mm/năm ở nhiệt độ phòng trong khi C276 ăn mòn ở tốc độ 0,50-1,50 mm/năm. Trong dung dịch tẩy rửa hỗn hợp HF-HNO3 ở 60 độ C, C2000 ăn mòn ở tốc độ 0,05-0,15 mm/năm trong khi C276 ăn mòn ở tốc độ 0,50-1,00 mm/năm. Những khác biệt này làm cho C2000 trở thành lựa chọn tiêu chuẩn cho thiết bị tẩy rửa, lò phản ứng axit hỗn hợp và các đơn vị xử lý nhà máy phân bón.

Bảng 5. Tốc độ ăn mòn trong môi trường axit nitric và axit hỗn hợp

Nguồn: Haynes H-2002 và H-2014; Phương pháp A của ASTM G28; Sổ tay tẩy rửa và xử lý bề mặt; Sổ tay vật tư ngành phân bón.

Làm thế nào để họ so sánh về dịch vụ chua (H2S + Clorua) trên NACE MR0175?

Cả C276 và C2000 đều được phê duyệt theo NACE MR0175/ISO 15156 cho dịch vụ chua và cả hai đều hoạt động xuất sắc trong môi trường chua nghiêm trọng, nhưng C276 là lựa chọn thận trọng hơn cho các điều kiện khắc nghiệt nhất (có HCl, áp suất riêng phần H2S rất cao trên 1 MPa) trong khi C2000 lại tuyệt vời cho môi trường chua không có HCl.

Dịch vụ chua đề cập đến môi trường dầu khí có chứa H2S hòa tan trong nước sản xuất, có thể gây ra nứt do ứng suất sunfua (SSC), nứt do hydro -gây ra (HIC) và HIC theo định hướng ứng suất (SOHIC) trong các hợp kim nhạy cảm. Cả C276 và C2000 đều được liệt kê trong NACE MR0175/ISO 15156 là có thể chấp nhận được đối với dịch vụ chua trong điều kiện ủ-dung dịch. C276 là sự lựa chọn vững chắc hơn trong những môi trường có tính axit khắc nghiệt nhất, đặc biệt khi HCl có trong nước được sản xuất hoặc nơi áp suất riêng phần của H2S vượt quá 1 MPa.

Hàm lượng vonfram trong C276 mang lại mức độ an toàn bổ sung trong những điều kiện khắc nghiệt này. C2000 được phê duyệt cho dịch vụ chua nhưng thường được chỉ định khi mối quan tâm chính không chỉ là H2S mà còn cả các thành phần axit (chẳng hạn như CO2 với axit hữu cơ) tạo ra điều kiện axit hỗn hợp. Trong thực tế, C2000 đã được sử dụng thành công trong thiết bị xử lý khí chua trong đó khí chứa cả H2S và CO2 với các axit hữu cơ, đây là môi trường axit hỗn hợp trong đó việc bổ sung Cu của C2000 mang lại khả năng chống chịu vượt trội.

Cả hai hợp kim đều yêu cầu điều kiện ủ dung dịch-và độ cứng dưới 35 HRC để đáp ứng yêu cầu NACE. Đối với môi trường chua mạnh nhất có HCl (chẳng hạn như thiết bị loại bỏ khí axit hoặc hoạt động kích thích axit), C276 vẫn là lựa chọn tiêu chuẩn của ngành.

Bảng 6. So sánh dịch vụ chua (NACE MR0175/ISO 15156)

Nguồn: NACE MR0175/ISO 15156 Phần 3 (2020); Bản tin dịch vụ chua của Haynes International C2000 và C276.

Nên hàn C2000 và C276 như thế nào?

Cả C2000 và C276 đều yêu cầu GTAW với các kim loại phụ loại ERNiCrMo-phù hợp (ERNiCrMo-10 cho C276, ERNiCrMo-14 cho C2000) và kiểm soát nhiệt đầu vào nghiêm ngặt, nhưng C2000 dễ ổn định hơn một chút do hàm lượng Cr cao hơn, trong khi C276 nhạy hơn với sự kết tủa của các pha liên kim loại trong HAZ.

Hàn là một bước quan trọng trong quá trình chế tạo thiết bị C2000 và C276 vì cả hai hợp kim đều dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt-tấn công vùng ảnh hưởng (HAZ) nếu nhiệt đầu vào không được kiểm soát. C276 có độ nhạy cao hơn trong hai hợp kim do hàm lượng Mo và W cao hơn, thúc đẩy sự kết tủa của pha mu và pha P trong khoảng 600-1100 độ C. Nhiệt đầu vào khuyến nghị cho C276 là 0,5-1,5 kJ/mm, nhiệt độ giữa các lớp dưới 93 độ C và không làm nóng trước. C2000 với lượng bổ sung Cr và Cu cao hơn có khả năng chịu nhiệt hàn cao hơn một chút, nhưng khuyến nghị kiểm soát nghiêm ngặt tương tự: đầu vào nhiệt 0,5-1,5 kJ/mm, khoảng cách giữa các lớp dưới 120 độ C.

Đối với C276, kim loại phụ là ERNiCrMo{23}}10 (AWS A5.14, UNS N06059) hoặc ERNiCrMo-4 (UNS N10276). ERNiCrMo-10 có Cr thấp hơn ERNiCrMo-4 nhưng phù hợp hơn với khả năng chống ăn mòn của C276. Đối với C2000, kim loại phụ là ERNiCrMo-14 (AWS A5.14, UNS N06200), được phát triển riêng cho C2000 và có thành phần 23Cr-16Mo-1.5Cu phù hợp. ERNiCrMo-14 là chất độn được ưu tiên cho C2000 và mang lại khả năng chống ăn mòn phù hợp nhất cho kim loại mối hàn. Không cần xử lý nhiệt sau hàn đối với cả hợp kim ở các phần mỏng; đối với các phần dày, ủ dung dịch ở 1120-1175 độ C (C276) hoặc 1121-1177 độ C (C2000), sau đó làm nguội nhanh bằng nước sẽ khôi phục các đặc tính tối ưu.

Bảng 7. Thông số hàn cho C276 và C2000

Nguồn: Hướng dẫn hàn Haynes International C276 và C2000; Mã hàn kết cấu AWS D1.6; ASME Phần IX; AWS A5.14/A5.14M.

C2000 vs C276: Khi nào nên chọn hợp kim nào?

Chọn C276 cho axit khử tinh khiết (HCl ở bất kỳ nồng độ nào, pha loãng H2SO4 dưới 10%) và dịch vụ chua nặng có sự hiện diện của HCl; chọn C2000 cho axit sulfuric (10-96 phần trăm), axit nitric, môi trường axit hỗn hợp, nước cường toan và dịch chua có CO2 cộng với axit hữu cơ; khi còn nghi ngờ giữa hai loại này, C2000 là sự lựa chọn phổ biến hơn.

Việc lựa chọn giữa C2000 và C276 phải được thúc đẩy bởi môi trường ăn mòn cụ thể hơn là do chi phí hoặc thói quen. Khung quyết định bên dưới dựa trên cơ chế ăn mòn chủ yếu trong mỗi ứng dụng: nếu môi trường hoàn toàn có tính khử (không có loài oxy hóa), C276 với W cao hơn và hồ sơ theo dõi đã được chứng minh là tiêu chuẩn; nếu môi trường bị oxy hóa hoặc hỗn hợp, C2000 với Cr và Cu cao hơn là lựa chọn đáng tin cậy duy nhất. Đối với môi trường axit hỗn hợp, sự lựa chọn rất rõ ràng: C2000 là lựa chọn khả thi duy nhất trong số hai hợp kim này.

Đối với dịch chua có HCl trong nước sản xuất, C276 được ưu tiên; đối với dịch chua không có HCl nhưng có CO2 và axit hữu cơ thì C2000 thường là lựa chọn tốt hơn. Khi cả hai hợp kim đều được chấp nhận về mặt kỹ thuật (ví dụ: axit loãng ở nhiệt độ thấp), chi phí thấp hơn và thành tích lâu dài hơn của C276 khiến nó trở thành lựa chọn mặc định. Chi phí cao hơn 15-25% của C2000 so với C276 chỉ hợp lý khi cần có những ưu điểm cụ thể của C2000 (khả năng chống oxy hóa/hỗn hợp axit).

Bảng 8. Ma trận quyết định: C2000 vs C276

Nguồn: Haynes International H-2002 và H-2014; Cẩm nang ASM Quyển. 13A; tổng hợp kinh nghiệm công nghiệp chế biến hóa chất 1995-2025.

Nghiên cứu điển hình: Nâng cấp máy cô đặc axit photphoric từ C276 lên C2000

Một nhà máy phân bón ở Trung Đông đã nâng cấp các bộ phận bên trong của máy cô đặc axit photphoric từ C276 lên C2000 vào năm 2018, giảm 55% chi phí bảo trì liên quan đến ăn mòn hàng năm và kéo dài thời gian quay vòng từ 2 năm lên 4 năm, chứng minh chi phí vật liệu tăng thêm 18% trong vòng 14 tháng.

Nhà máy vận hành máy cô đặc axit photphoric (H3PO4) giúp tăng nồng độ axit từ 30 phần trăm lên 54-58 phần trăm ở nhiệt độ 90-110 độ C. Quá trình này bao gồm đồng thời cô đặc, bay hơi và tuần hoàn axit có tính ăn mòn cao chứa tạp chất florua (50-200 ppm F-) từ nguyên liệu axit photphoric trong quy trình ướt. Thông số kỹ thuật ban đầu là C276 cho thân bộ tập trung, ống gia nhiệt và bộ phân phối axit bên trong. Sau 6 năm sử dụng (2012-2018), cuộc kiểm tra cho thấy các bộ phận C276 ở phần hơi bị ăn mòn tổng thể ở mức độ vừa phải (0,10-0,20 mm/năm) và thỉnh thoảng bị rỗ ở bề mặt phân cách hơi-lỏng.

Tốc độ ăn mòn tăng lên đáng kể khi nồng độ axit vượt quá 45%. Phân tích lỗi đã xác định rằng các tạp chất florua trong axit-quy trình ướt kết hợp với tính chất oxy hóa của axit đậm đặc nóng đã tạo ra môi trường khử-oxy hóa hỗn hợp rất hạn chế đối với C276. Trong đợt thay đổi năm 2018, nhà máy đã thay thế các bộ phận bên trong bộ phận hơi bằng tấm ống C2000 (UNS N10200), tấm phân phối và phần cứng hỗ trợ. Sau 4 năm hoạt động (2018-2022), kiểm tra cho thấy tốc độ ăn mòn chung chỉ 0,01-0,03 mm/năm và không có vết rỗ, thể hiện sự cải thiện gấp 6 lần so với C276 trong cùng dịch vụ. Chi phí bảo trì hàng năm giảm từ 340.000 USD xuống còn 153.000 USD. Phần bù vật liệu 18% (khoảng 45.000 đô la chi phí bổ sung cho 3 tấn) đã được thu hồi trong 14 tháng chỉ nhờ giảm chi phí bảo trì.

Nguồn: Trường hợp hiện trường do khách hàng JN Alloy cung cấp (ẩn danh); Ghi chú ứng dụng axit photphoric Haynes C2000; dữ liệu kỹ thuật nhà máy phân bón.

Nghiên cứu điển hình: Ứng dụng axit hỗn hợp trong nhà máy xử lý khí chua

Một cơ sở xử lý khí chua ở Trung Á đã chọn C2000 thay vì C276 cho bộ phận bên trong bộ hấp thụ của bộ loại bỏ khí axit (AGRU) để xử lý sự kết hợp giữa H2S, CO2 và ô nhiễm axit formic trong phần trên của máy tái sinh amin nạc, loại bỏ ba năm ngừng hoạt động do ăn mòn-gây ra đã gây khó khăn cho thiết bị tiền thân được trang bị C276.

Nhà máy xử lý khí chua xử lý khí với 8% H2S và 12% CO2, tạo ra dung dịch amin nghèo tái tạo phần trên chứa H2S, CO2, hơi nước và axit formic dạng vết (HCOOH) từ quá trình phân hủy nhiệt của dung môi amin. Bộ phận bên trong bình ngưng và bộ khử khí trên cao của máy tái sinh ban đầu được chế tạo từ C276.

Chỉ sau 18 tháng sử dụng, màn chắn lưới thép hỗ trợ demister C276 bắt đầu có dấu hiệu nứt ăn mòn do ứng suất ở các mối hàn và các ống ngưng tụ xuất hiện dưới-các vết rỗ lắng đọng với tốc độ ăn mòn là 0,30-0,50 mm/năm. Axit formic trong dòng khí trên được xác định là nguyên nhân sâu xa: axit formic là axit khử hữu cơ tấn công màng thụ động của C276, trong khi H2S và CO2 hiện diện đồng thời tạo ra môi trường axit hỗn hợp phức tạp.

Đánh giá kỹ thuật chống ăn mòn khuyến nghị thay thế C276 bằng C2000 cho các bộ phận bên trong AGRU. Người ta kỳ vọng rằng lượng Cr cao hơn (23%) sẽ xử lý được dịch chua H2S{5}}CO2, trong khi việc bổ sung Cu (1,6%) được kỳ vọng sẽ ngăn chặn sự tấn công của axit formic. Các bộ phận khử khí C2000 (UNS N10200), phần cứng hỗ trợ và ống ngưng tụ đã được lắp đặt vào năm 2019. Sau 5 năm hoạt động (2019-2024), quá trình kiểm tra cho thấy không có vết nứt, không rỗ và tốc độ ăn mòn chung dưới 0,02 mm/năm. Nhà máy chưa từng ngừng hoạt động ngoài kế hoạch liên quan đến ăn mòn AGRU trong thời gian 5 năm, so với mức trung bình 1,2 lần ngừng hoạt động ngoài kế hoạch mỗi năm với thiết bị C276.

Nguồn: Ghi chú ứng dụng xử lý khí Haynes C2000; Nghiên cứu điển hình SPE-195565-MS (đã điều chỉnh); dữ liệu thực địa từ cơ sở khí chua Trung Á.

Tiêu chuẩn nào chi phối C2000 và C276?

C2000 và C276 có cùng tiêu chuẩn mẫu sản phẩm ASTM (B575 cho tấm, B622 cho ống liền mạch, B619 cho ống hàn, B574 cho thanh, B366 cho phụ kiện), cả hai đều được chấp nhận trong ASME BPVC Phần VIII Phân khu 1 và NACE MR0175/ISO 15156, nhưng C2000 hiện có ít nhà máy sản xuất nó hơn, điều này có thể ảnh hưởng đến thời gian cung cấp.

Khung tiêu chuẩn cho C2000 (UNS N10200) và C276 (UNS N10276) phần lớn được chia sẻ vì cả hai hợp kim đều thuộc nhóm hợp kim crom Hastelloy C-của niken-molybdenum-. Các tiêu chuẩn chính về mẫu sản phẩm của ASTM bao gồm cả hai hợp kim là: ASTM B575 cho tấm, lá và dải; ASTM B622 cho ống và ống liền mạch; ASTM B619 cho ống hàn; ASTM B626 cho ống hàn; ASTM B574 cho thanh và que; ASTM B564 để rèn; và ASTM B366 cho các phụ kiện hàn giáp mép. Bộ luật nồi hơi và bình áp suất ASME Phần II Phần D cung cấp các giá trị ứng suất cho phép đối với cả hai hợp kim lên đến 427 độ C (800 độ F) trong điều kiện ủ dung dịch. ASME Phần VIII Phân khu 1 cho phép cả hai hợp kim được sử dụng để chế tạo bình chịu áp lực. NACE MR0175/ISO 15156 Phần 3 liệt kê cả hai hợp kim dùng cho dịch vụ chua trong điều kiện ủ dung dịch-có độ cứng dưới 35 HRC.

Một sự khác biệt quan trọng trong thực tế là nguồn cung sẵn có: C276 được sản xuất bởi nhiều nhà máy trên toàn thế giới (Haynes, VDM, Kim loại đặc biệt và nhiều nhà máy Trung Quốc) và được dự trữ rộng rãi ở mọi kích cỡ phổ biến. C2000 chủ yếu được sản xuất bởi Haynes International và một số nhà máy được cấp phép hạn chế, khiến sản phẩm này ít được lưu kho hơn và thời gian giao hàng dài hơn là 12-20 tuần đối với các kích thước không chuẩn. Đối với lịch trình dự án, sự khác biệt về nguồn cung này phải được đưa vào kế hoạch mua sắm vật liệu.

Bảng 9. Tiêu chuẩn áp dụng cho C2000 và C276

Nguồn: ASTM Quốc tế 2024; Phiên bản ASME BPVC 2023; NACE MR0175/ISO 15156-3:2020; Haynes quốc tế.

Tổng chi phí sở hữu của C2000 so với C276 là bao nhiêu?

Mặc dù C2000 có chi phí vật liệu cao hơn 15-25% so với C276, nhưng trong các ứng dụng dịch vụ axit và chua hỗn hợp, C2000 mang lại tổng chi phí trong 20 năm thấp hơn 40-60% nhờ giảm bảo trì, khoảng thời gian dài hơn và loại bỏ thời gian ngừng hoạt động đột xuất.

Phân tích TCO phải dành riêng cho ứng dụng-vì giá trị tương đối của C2000 so với C276 thay đổi đáng kể tùy thuộc vào môi trường ăn mòn. Trong dịch vụ axit khử thuần túy khi C276 đáp ứng đủ về mặt kỹ thuật, việc chọn C2000 sẽ tăng thêm 15-25% chi phí vật liệu mà không tăng thêm lợi ích chống ăn mòn, tăng TCO. Trong dịch vụ axit hỗn hợp có C276 ở mức cận biên, việc chọn C2000 sẽ loại bỏ nguy cơ hỏng hóc sớm và mang lại chi phí bảo trì thấp hơn 40-60%.

Nghiên cứu trường hợp từ máy làm giàu axit photphoric (Phần 10) chứng minh điều này: 18% phí bảo hiểm vật liệu đã được thu hồi trong 14 tháng nhờ giảm chi phí bảo trì. Bảng dưới đây cho thấy hai kịch bản TCO 20 năm tiêu biểu: (1) lò phản ứng axit hỗn hợp cần có C2000 và (2) bộ trao đổi nhiệt HCl loãng trong đó C276 là đủ.

Bảng 10. 20-So sánh TCO năm: C2000 và C276

Nguồn: Phân tích kỹ thuật hợp kim JN; điểm chuẩn tổng hợp về chi phí bảo trì nhà máy hóa chất 2018-2024.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: C2000 có thể được sử dụng để thay thế trực tiếp cho C276 trong thiết bị hiện có không?

Đáp: C2000 có thể thay thế C276 trong hầu hết các môi trường mà C276 hoạt động bình thường hoặc không hoạt động, với một ngoại lệ quan trọng: C2000 KHÔNG nên thay thế C276 trong dịch vụ HCl đậm đặc (trên 20%) trong đó C276 là lựa chọn khả thi duy nhất. Trong tất cả các môi trường khác, C2000 ít nhất sẽ hoạt động tốt như C276, và trong môi trường axit oxy hóa và hỗn hợp, nó sẽ hoạt động tốt hơn đáng kể. Để quyết định thay thế, kỹ sư chống ăn mòn nên xem xét các điều kiện vận hành cụ thể dựa trên dữ liệu trong Bảng 3-6 và 8.

Hỏi: Tại sao C2000 ít được bán hơn C276?

Trả lời: C2000 được Haynes International giới thiệu vào những năm 1990 nhưng chưa bao giờ đạt được mức độ thâm nhập thị trường tương tự như C276, loại này đã được đưa vào sử dụng từ những năm 1960 và là lựa chọn mặc định cho hầu hết các ứng dụng axit khử. C276 được sản xuất bởi nhiều nhà máy trên toàn thế giới và được lưu trữ rộng rãi với kích thước tiêu chuẩn. C2000 chủ yếu do Haynes International sản xuất với số lượng sản xuất hạn chế của bên thứ ba-, dẫn đến thời gian giao hàng lâu hơn (12{10}}20 tuần đối với kích thước không chuẩn) và chi phí cao hơn. Đối với tiến độ dự án, việc mua sắm sớm C2000 là điều cần thiết.

Hỏi: Nhiệt độ tối đa của C2000 và C276 trong dịch vụ H2S là bao nhiêu?

Đáp: C276 được khuyến nghị lên tới 450 độ C trong dịch vụ chứa H2S-, trong khi C2000 được khuyến nghị lên tới 400 độ C. Sự khác biệt này là do hàm lượng Cr của C2000 cao hơn, khiến C2000 dễ bị ảnh hưởng bởi-sự tấn công của lưu huỳnh ở nhiệt độ cao trên 400 độ C. Đối với dịch vụ chua dưới 232 độ C (giới hạn trên của NACE MR0175), cả hai hợp kim đều được phê duyệt không có giới hạn nhiệt độ trong giải pháp{13}}điều kiện được ủ.

Hỏi: C2000 có tốt hơn C276 trong nước biển không?

Trả lời: Có, C2000 với hàm lượng Cr cao hơn (23% so với 15%) và hàm lượng Cu (1,6%) mang lại khả năng chống chịu tốt hơn một chút trong vùng nước biển nóng và vùng bắn nước so với C276. Trong nước biển ở nhiệt độ 80 độ C, C2000 thường có tốc độ ăn mòn chung dưới 0,02 mm/năm mà không có vết rỗ, trong khi C276 có thể biểu hiện vết rỗ nhỏ. Tuy nhiên, đối với dịch vụ nước biển, Hợp kim 625, Hợp kim 254 SMO hoặc các loại siêu austenit thường có hiệu quả hơn{12}}về mặt chi phí trừ khi cũng có điều kiện axit hỗn hợp.

Hỏi: C2000 và C276 có thể hàn được với nhau không?

Trả lời: Có, C2000 và C276 có thể được hàn với nhau bằng kim loại phụ ERNiCrMo{10}}10 (UNS N06059), có thành phần trung gian giữa hai kim loại cơ bản. Chất độn ERNiCrMo-14 (UNS N06200), được phát triển riêng cho C2000, cũng có thể được sử dụng nhưng có tỷ lệ Cr:Mo hơi khác một chút. Đối với các mối hàn từ C2000 đến C276 không giống nhau, ERNiCrMo-10 là khuyến nghị tiêu chuẩn. Cần phải có trình độ chuyên môn theo ASME Mục IX đối với các mối hàn sản xuất. Kim loại mối hàn thu được sẽ có tính chất trung gian giữa C276 và C2000.

Hỏi: PREN của C2000 là gì và nó so sánh với C276 như thế nào?

Trả lời: C2000 có PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) khoảng 65-70, được tính bằng phần trăm Cr (23) + 3.3 lần phần trăm Mo (16) + 16 lần N phần trăm (0), khoảng 65-70. C276 có PREN xấp xỉ 68, được tính bằng Cr phần trăm (15) + 3.3 lần Mo phần trăm (16) + 3.3 lần W phần trăm (3,75) + 16 lần N phần trăm (0), xấp xỉ 68. Cả hai hợp kim đều có giá trị PREN rất giống nhau trong phạm vi 65-70, nghĩa là chúng có khả năng chống rỗ clorua tương tự về mặt lý thuyết. Sự khác biệt về hiệu suất giữa C2000 và C276 trong thực tế chủ yếu là do cân bằng Cr:Cu cho môi trường oxy hóa chứ không phải chỉ do PREN.