טייק אווי מפתח
סגסוגת 20(UNS N08020, 33% Ni, 20% Cr, 3.5% Cu, 2.5% Mo, Cb-מיוצב) היא סגסוגת הניקל של סוס העבודה לשירות חומצה גופרתית, בעלת ביצועים טובים יותר מפלדת אל חלד 316L פי 10-50 בריכוזי חומצה ביניים (10480% H).
תכולת הניוביום (Nb) (8 x C min) היא התכונה המגדירה של סגסוגת 20 - היא מונעת רגישות לריתוך ומבטיחה שהאזור המושפע מהחום (HAZ) שומר על עמידות מלאה בפני קורוזיה לאחר ריתוך ייצור.
סגסוגת 20 מצטיינת ב-10-80% H2SO4 בטמפרטורות של עד 80C. זה לא מומלץ לחומצה מדוללת (<10%) at elevated temperatures (where 316L may suffice) or concentrated acid (>95%) בטמפרטורות גבוהות (שם נדרשים Hastelloy B-3 או טיטניום).
For intermediate concentrations (50-80% H2SO4) at temperatures >80C, שדרג ל-Hastelloy G-30 (UNS N06030) או Sanicro 28 (UNS N08028) - סגסוגות אלו מציעות עמידות בפני קורוזיה גבוהה פי 2-3 מסגסוגת 20 באזור האגרסיבי ביותר.
גרסת "Alloy 20Cb-3" (עם 0.5-1.0% Si) מספקת עמידות משופרת לחומצה גופרתית בריכוזי ביניים וטמפרטורות גבוהות בהשוואה לסגסוגת 20 סטנדרטית.
מבוא לסגסוגת 20 בשירות חומצות גופרתיות
חומצה גופרתית (H₂SO₄) היא הכימיקל התעשייתי המיוצר ביותר בעולם, עם הייצור העולמי העולה על 260 מיליון טון מדי שנה. הוא משמש כמעט בכל מגזר תעשייתי: ייצור דשנים (עיבוד פוספט), זיקוק נפט (אלקילציה), כבישת מתכות והדחת מתכות, סינתזה כימית (ייצור חומצה הידרוכלורית, חומצה זרחתית וטיטניום דו-חמצני), טיפול במים תעשייתי, וייצור חומרי נפץ.
האתגר עם שירות חומצה גופרתית הוא שלא מדובר בסביבה אחת - אלא בספקטרום של תנאים המשתנים באופן דרמטי עם הריכוז והטמפרטורה. זהו העיקרון החשוב ביותר בבחירת חומר חומצה גופרתית: אין חומר אוניברסלי שמתפקד היטב בכל הריכוזים והטמפרטורות.
סגסוגת 20 (UNS N08020, הידועה גם בשם Carpenter 20, ASTM Grade CN-7M בצורת יצוק, ונמכרת בשמות מסחריים כולל Marca 20, ATI 20 ו-Nicrill 20) פותחה במיוחד כדי להתמודד עם אתגר הקורוזיה בריכוז בינוני של-% חומצה גופריתית עד 80% חומצה גופרית בקירוב. H₂SO₄ היכן שרוב הפלדות הנירוסטה האוסטניטיות נכשלות בצורה קטסטרופלית. הכימיה של הסגסוגת מאוזנת בכוונה כדי לספק:
ייצוב ניוביום (Nb):פחמן נשמר בכוונה מתחת ל-0.07% וניוביום מתווסף בפי 8 מתכולת הפחמן (Nb גדול מ-8 x C) כדי ליצור NbC (ניוביום קרביד) במהלך התמצקות. זה מונע משקעים של כרום קרביד Cr₂₃C₆ בגבולות התבואה במהלך ריתוך או שירות בטמפרטורה- גבוהה, שאחרת יגרום לריקון הכרום מהאזורים הסמוכים ולגרום להתקפה בין-גרעינית (IGA). זוהי התכונה המבנית המגדירה של Alloy 20 לעומת פלדות אל-חלד אוסטניטיות סטנדרטיות.
תוספת נחושת (Cu):3.0-4.0% נחושת מספקת עמידות יוצאת דופן לחומצה גופרתית על ידי יצירת סרט משטח נחושת סולפט פסיבי שיציב בתנאי חומצה מפחיתים (דל חמצן). נחושת היא הסיבה העיקרית לכך ש-Alloy 20 מתעלה על 316L בחומצה גופרתית.
תוספת מוליבדן (Mo):2.0-3.0% מוליבדן משפר את העמידות בפני קורוזיה וחריצים בתערובות חומצה המכילות יוני כלוריד (Cl-) - נפוץ בכריית תמיסות שטיפה ואמבטיות כבישה.
תוכן כרום (Cr):19.0-21.0% כרום מספק עמידות כללית בפני קורוזיה ופסיביות בתנאי חמצון. תכולת הכרום נמוכה מ-316 ליטר (16%) על בסיס משקל אך מנוצלת במלואה מכיוון שהניוביום מונע את התרוקנותו.
תוכן ניקל (Ni):32.0-38.0% ניקל מייצב את המיקרו-מבנה האוסטניטי (עוקב במרכז הפנים, FCC), מספק עמידות בפני פיצוח קורוזיה של כלוריד (SCC), ושומר על משיכות וקשיחות בכל טווח הטמפרטורות מקריוגני ל-450C.
מסקנה סופית:סגסוגת 20 היא החומר המובהק לשירות חומצה גופרתית בטווח ריכוז של 10-80% בטמפרטורות של עד 80 מעלות. הכימיה המיוצבת -ניוביום (Nb גדולה מ-8 × C או שווה ל-8 × C) היא התכונה ההנדסית המגדירה - היא מונעת רגישות לריתוך, מבטל קורוזיה בין-גרגירית ב-HAZ, ומבטיחה שהריתוך כפי שיוצר שומר על עמידות מלאה בפני קורוזיה שווה למתכת הבסיס. שום פלדת אל חלד לא יכולה לספק את הבטחון הזה.
הרכב כימי ומאפיינים מכניים
הרכב כימי לפי וריאנט כיתה
טבלה 1: הרכב כימי של סגסוגת 20 וגרסאות - גיליון/צלחת יצוק (משקל %)
| אֵלֵמֶנט | Alloy 20 (N08020) | סגסוגת 20Cb-3 (N08020, שונה ב-Si) | Alloy 20 Mod. (N08020, Si נמוך) | Alloy 20 Cast (CN-7M) | המשמעות של כל אלמנט |
| ניקל (ני) | 32.0-38.0 (כולל Co) | 32.0-38.0 (כולל Co) | 32.0-38.0 | 38.0-44.0 | מייצב מבנה FCC אוסטניטי; מונע SCC כלוריד; Ni נותן התנגדות להפחתת תנאי חומצה; Ni גבוה יותר בצורה יצוקה לשיפור עמידות חומצה גופרתית |
| Chromium (Cr) | 19.0-21.0 | 19.0-21.0 | 19.0-21.0 | 19.0-22.0 | מספק פסיביות ועמידות בפני קורוזיה כללית; יסוד ראשוני לתנאי חמצון; Cr חייב להישאר בתמיסה מוצקה (לא משקע כמו Cr23C6) כדי לספק הגנה מפני קורוזיה |
| ברזל (Fe) | יתרה (~35) | יתרה (~35) | יתרה (~35) | יתרה (~30-34) | אלמנט מטריצת בסיס; תוכן Fe מאוזן על ידי Ni ו-Cr; מספק חוזק מבני ומפחית את עלות חומרי הגלם לעומת סגסוגות ניקל טהור |
| נחושת (Cu) | 3.0-4.0 | 3.0-4.0 | 3.0-4.0 | 3.0-4.0 | PRIMARY anti-corrosion element for sulfuric acid; forms passive Cu2+ surface film in reducing conditions; 3.5% is the optimum for 10-80% H2SO4; excess Cu (>5%) מפחית את יכולת העבודה החמה- |
| מוליבדן (מו) | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | משפר עמידות בפני קורוזיה וחריצים; קריטי בתמיסות כבישה וכרייה נושאות כלוריד-; מו משפר את הפסיביות בתערובות חומצות מחמצנות |
| ניוביום (Nb) | 8 x C דקות (סוג. 0.5-1.0) | 8 x C דקות (סוג. 0.5-1.0) | 8 x C דקות (סוג. 0.5-1.0) | 8 x C דקות | מרכיב מגדיר: Nb קושר את כל הפחמן כ-NbC (ניוביום קרביד), ומונע משקעים של Cr23C6 בגבולות התבואה; מבטל רגישות לריתוך והתקפה בין-גרגירית של HAZ; ללא Nb, Alloy 20 תתנהג כמו 316L לא מיוצב ב-HAZ |
| פחמן (C) | 0.07 מקסימום | 0.07 מקסימום | 0.04 מקסימום (גירסת פחמן נמוכה-) | 0.07 מקסימום | מבוקר עד 0.07% מקסימום; יחס Nb/C של 8:1 מבטיח שכל ה-C מסודר כ-NbC; גרסת פחמן נמוכה-(0.02-0.04%) זמינה לשיפור עמידות IGC בחומצה האגרסיבית ביותר |
| מנגן (Mn) | 2.0 מקסימום | 2.0 מקסימום | 2.0 מקסימום | מקסימום 1.5 | מסיר חמצון במהלך ההמסה; משפר את יכולת העבודה החמה-; נקשר עם S ליצירת תכלילים של MnS (אך S כבר נשלט לרמות נמוכות מאוד בסגסוגת 20) |
| סיליקון (Si) | 1.0 מקסימום | 0.5-1.0 (נוסף) | מקסימום 0.3 (נמוך) | 1.0 מקסימום | וריאנט Cb-3 מוסיפה בכוונה Si (0.5-1.0%) כדי לשפר את עמידות בפני קורוזיה בריכוזי H2SO4 בינוניים (50-80%) בטמפרטורות גבוהות; גרסה נמוכה-Si לשיפור הקשיחות בשירות קריוגני |
| גופרית (S) | 0.035 מקסימום | 0.035 מקסימום | 0.035 מקסימום | 0.035 מקסימום | מבוקרת לרמות נמוכות כדי למנוע stringers MnS המשמשים כאתרי התחלה לקורוזיה של חריצים ובורים בחומצה; S נמוך משפר את העמידות הכללית בפני קורוזיה |
| זרחן (P) | 0.045 מקסימום | 0.045 מקסימום | 0.045 מקסימום | 0.045 מקסימום | Controlled; high P (>0.04%) מאיץ התקפה בין-גרגירית בסגסוגת 20 בסביבות חומצה מחמצנות |
מקור: ASTM B463-23: מפרט סטנדרטי עבור UNS N08020, UNS N08026, UNS N08024 ו-UNS N08926 לוח, גיליון ורצועה; ASME SB-463; SAE AMS 5550 (סגסוגת 20 גיליון ורצועה); Special Metals Corporation "Alloy 20" פרסום SMC-064; סגסוגות מגולגלות סגסוגת 20 נתונים טכניים; Cabot Corporation "Aloy 20 Product Data" 2023
טבלה 2: מאפיינים מכניים ופיזיים של סגסוגת 20 (UNS N08020) - צורות יצוק ויצוק
| נֶכֶס | חישול (גיליון/צלחת) | פתרון-מטופל (צלחת) | יצוק CN-7M | הערות |
| חוזק מתיחה, UTS (MPa) | 550-690 | 550-690 | 530-690 | מינימום: 515 MPa לכל ASTM B463; מינימום יציקה: 450 MPa |
| חוזק תפוקה, 0.2% היסט (MPa) | 240-345 | 240-345 | 240-310 | מינימום: 241 MPa לכל ASTM B463 |
| התארכות ב-50 מ"מ (%) | 25-50 | 25-50 | 25-35 | מינימום: 30% לכל ASTM B463 עבור גיליון |
| קשיות (Rockwell B) | B 75-88 | B 75-88 | B 75-88 | ערכים אופייניים; לא דרישת רכישה |
| מודול האלסטיות (GPa) | 200 | 200 | 200 | ב-20C; יורד ל-175 GPa ב-400C |
| צפיפות (g/cm3) | 8.14 | 8.14 | 8.14 | מעט נמוך מ-316L (8.00) עקב Ni ו-Cu גבוהים יותר |
| טווח התכה (C) | 1350-1400 | 1350-1400 | 1350-1400 | Solidus: 1350C; נוזלי: 1400C |
| מוליכות תרמית (W/m·K ב-100C) | 13.5 | 13.5 | 13.5 | נמוך מ-316L (16 W/m·K); משפיע על עיצוב העברת חום |
| מקדם התפשטות תרמית (um/m·C, 20-200C) | 14.7 | 14.7 | 14.7 | בדומה לאוסטניטי אל חלד; חייב לקחת בחשבון התרחבות תרמית בתכנון כלי השיט |
| התנגדות חשמלית (µΩ·cm ב-20C) | 108 | 108 | 108 | גבוה מ-316L (75 µΩ·cm) עקב תכולת Ni גבוה יותר |
| חדירות מגנטית | <1.02 (essentially non-magnetic) | <1.02 | <1.02 | המבנה האוסטיני יציב; ללא מגנטיות המושרה על ידי פריט.- |
| השפעת חריץ של Charpy V-(J ב-20C) | 100-160 | 100-160 | 80-130 | קשיחות מעולה; מתאים ליישומי עומס קריוגניים ודינמיים |
| השפעת חריץ של Charpy V-(J ב-196C) | 70-120 | 70-120 | 60-100 | שומר על קשיחות טובה בטמפרטורת חנקן נוזלי |
| PREN (מספר השוואת התנגדות בור) | 28-33* | 28-33* | 28-33* | Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 16N; PREN 28-33 הוא בינוני לעומת 316L (PREN 24-28) אבל סרט Cu נותן ביצועים מעולים של H2SO4 |
| עלות יחסית (x צלחת 316L) | 5-7x | 5-7x | - | מבוסס על תמחור שוק גלובלי לשנת 2024; תנודתיות המחירים הגולמיים של Ni ו-Cu משפיעה על תמחור Alloy 20 |
מקור: ASTM B463-23; ASME SB-463; SAE AMS 5550; Special Metals Corporation "Alloy 20" פרסום SMC-064; גיליון נתונים טכניים של סגסוגות מגולגלות; נתוני המוצר של Cabot Corporation 2023; *PREN=Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 16N - PREN אינו המדד העיקרי להתנגדות H2SO4; תוכן Cu הוא הגורם הדומיננטי
מסקנה סופית:סגסוגת 20 היא סגסוגת ניוביום-מייצבת 33% Ni-Cr-Fe עם 3.5% Cu ו-2.5% Mo - לא סגסוגת ניקל אמיתית במשפחת Hastelloy/Inconel. הדרישה Nb גדולה או שווה ל-8 × C היא החוזה ההנדסי שהופך את Alloy 20 לריתוך ללא רגישות. לגרסה היצוקה CN-7M יש Ni גבוה יותר (38-44%) ו-Fe נמוך יותר עבור עמידות משופרת לחומצה גופרתית, אך תכונות מכניות מינימליות נמוכות יותר.
מדוע חומצה גופרתית היא סיוט קורוזיה
ההבנה מדוע חומצה גופרתית תוקפת מתכות דורשת לדעת שהחומצה קיימת בשני מצבים כימיים בסיסיים, שכל אחד מהם מייצר מנגנון קורוזיה מובהק:
אזור ההפחתה (0-85% H₂SO₄)
בריכוזים מתחת לכ-85% H₂SO4, החומצה מתנהגת כחומצה מפחיתה. המינים הדומיננטיים הם H⁺ (יוני מימן) ו-HSO₄⁻ (יוני ביסולפט). פירוק מתכת מתרחש על ידי תגובה אלקטרוכימית שבה המתכת מתחמצנת ומתפתח גז מימן: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑ (קורוזיה כללית) באזור זה, קצב הקורוזיה נשלט על ידי קצב התפתחות המימן.
החומצה יציבה תרמית - אינה מתפרקת ואינה מייצרת מינים מחמצנים. זהו האזור שבו נחושת, מונל 400 וסגסוגת 20 מתפקדים היטב מכיוון שהם יוצרים סרטים פסיביים עמידים בפני תנאים מצמצמים. פלדות אל-חלד אוסטניטיות (304L, 316L) מתפקדות בצורה גרועה כאן מכיוון שהסרט הפסיבי של תחמוצת הכרום שלהן אינו יציב בהיעדר מינים מחמצנים.
The Oxidising Zone (>85% H₂SO₄)
At concentrations above 85% H₂SO₄, the acid undergoes thermal decomposition to produce sulfur trioxide (SO₃), water, and oxygen - creating strongly oxidising conditions:2H₂SO₄ → 2SO₂ + O₂ + 2H₂O (thermal decomposition at >250 מעלות )H₂SO₄ → SO₃ + H₂O (שלב אדים בטמפרטורה גבוהה באזור זה, ה-SO₃ וה-O₂ המיוצרים הם מחמצנים רבי עוצמה.
פלדות אל-חלד (במיוחד 316L עם תוספת המוליבדן שלה) מתפקדות טוב יותר כאן מכיוון שסרט תחמוצת הכרום שלהן מיוצב על ידי תנאי החמצון.
Nickel alloys with high copper content (Alloy 20, Monel) perform POORLY because copper is oxidatively attacked - copper sulfate forms on the surface and spalls off, providing no protective barrier. For concentrated (>95% חומצה גופרתית חמה, טנטלום, פלדת פחמן מרופדת-זכוכית או ברזל יצוק בדרך כלל נדרשים.
אזור המעבר (50-85% H₂SO₄): האזור המסוכן ביותר
טווח הריכוזים של 50-85% H₂SO4 בטמפרטורות גבוהות מוכר באופן אוניברסלי כסביבת הקורוזיה האגרסיבית ביותר עבור סגסוגות קונבנציונליות. באזור זה:
· החומצה מרוכזת מספיק כדי להתחמצן (SO₃ מתחיל להיווצר מעל 85%, אך מינים תת--סטואכיומטריים של SO₃ קיימים בטווח של 50-85%) · הטמפרטורה בדרך כלל גבוהה (60-150 מעלות ברוב התהליכים התעשייתיים)
· תוצר קורוזיה של ברזל סולפט (FeSO₄) שנוצר על משטחי פלדה ונירוסטה מסיס - אינו נדבק ואינו מגן
· השפעות המהירות הן משמעותיות: מערבולות באביזרים, משאבות ולוחות פתחים מאיצה באופן דרמטי את השחיקה-הקורוזיה
· יוני כלוריד (מחמרי גלם, מי קירור או תוספות תהליך) נמצאים לעתים קרובות, בשילוב עם החומצה המחמצנת כדי ליצור בו-זמנית קורוזיה וקורוזיה של חרקים
טבלה 3: אזורי ריכוז חומצה גופרתית - אופי קורוזיה, החומרים הטובים ביותר ומגבלות הטמפרטורה עבור כל טווח
| ריכוז H2SO4 | אופי קורוזיה | חמצון לעומת צמצום | טמפרטורה קריטית | החומרים הטובים ביותר | חומרים שיש להימנע מהם |
| 0-10% (חומצה מדוללת) | צמצום; H+ דומיננטי | צמצום טהור | >60 מעלות מאיץ קורוזיה כללית | 316 ליטר (עד 60 מעלות); סגסוגת 904L (עד 80 מעלות); סגסוגת 20 (עד 100 מעלות) | פלדת פחמן (קורוזיה כללית מהירה); ברזל יצוק (אסור מעל 10% בכל טמפ') |
| 10-50% (בינוני, קצה דליל) | מפחית עד מחמצן קל; H+ ו- HSO4- | הפחתה קלה; מתחיל להראות חמצון מעל 30% | >50 מעלות מאיץ במהירות התקפה על SS | סגסוגת 20 (עד 80 מעלות); 316L מקובל אם Cl-<50 ppm and T<50°C | 304L נכשל מעל 40 מעלות; פלדת פחמן מוגבלת ל<10% at room temp only |
| 50-85% (קצה בינוני, מרוכז) | האזור האגרסיבי ביותר; צמצום/חמצון מעורב; קיימים מינים תת--סטוכיומטריים של SO3 | מְעוּרָב; הכי לא צפוי | >80 מעלות גורמת להתקפה מהירה על כל סגסוגות ה-SS | Alloy 20Cb-3 (up to 90°C); Hastelloy G-30 or Sanicro 28 (up to 120°C); Tantalum or SiC for >130 מעלות | סגסוגת סטנדרטית 20 מוגבלת ל-80 מעלות מקסימום; 316L/904L FAIL מעל 50 מעלות בטווח זה |
| 85-98% (חומצה מרוכזת) | מחמצן חזק; SO3 ו-O2 מפירוק תרמי | מתחמצן חזק מעל 85% | >120°C requires special materials; >200 מעלות אגרסיבי ביותר | 316L/310S (עד 120 מעלות); טנטלום, פלדת פחמן-מרופדת בזכוכית (עד 300 מעלות) | סגסוגת 20 ומונל: נחושת מותקפת בחמצון; לא מומלץ מעל 60 מעלות בחומצה מרוכזת |
| >98% (חומצה מעשנת, אולאום) | סופר-מחמצן; גז SO3 חינם | מחמצן במיוחד | כל טמפרטורה מעל הסביבה היא אגרסיבית | Tantalum (only practical material for >98% חומצה חמה); זכוכית בורוסיליקט; ברזל יצוק (עד 240 מעלות עבור 93% חומצה) | סגסוגת 20: סיכון קריטי לכשל; נחושת וניקל מחומצנים |
| חלל אדים / חומצה מתעבה | שיעור הקורוזיה הגבוה ביותר: טיפות חומצה מתעבות פוגעות במשטחים בחום התעבות מלא | מְעוּרָב; הגרוע ביותר בממשק עיבוי | כל טמפרטורה מעל הסביבה היא אגרסיבית | Alloy 20 או Hastelloy G-30 עבור כל חלל האדים; צד המעטפת של HRS חייב להיות Alloy 20 או Hastelloy | פלדת פחמן וברזל יצוק נכשלים בחלל אדים מעל 40 מעלות; 316L לא מספיק מעל 10% עיבוי |
מקור: ASM Handbook Vol. 13C: Corrosion - Environments and Industries (ASM International, 2006); פרסום NACE 34103: הנחיות לבחירת חומרים עבור חומצה גופרתית; ASTM G1-17: נוהג סטנדרטי להכנה, ניקוי והערכת דגימות בדיקת קורוזיה; נתונים מרכזיים על קורוזיה בחומצה גופרתית, Avestor/IIT Research Institute; Jones, DA, עקרונות ומניעת קורוזיה (מהדורה שלישית, Prentice Hall, 1996); Cronin, J. and Sridhar, N., "Corrosion of Nickel Alloys in Sulfuric Acid", NACE Corrosion 2000, Paper 00247
מסקנה סופית:The 50-85% H₂SO₄ concentration range at temperatures above 80°C is the most aggressive corrosion environment for conventional engineering alloys. Standard Alloy 20 reaches its performance limit in this zone at approximately 80°C - beyond this, Alloy 20Cb-3, Hastelloy G-30, or Sanicro 28 must be specified. For concentrated acid (>85%) בטמפרטורה גבוהה, סגסוגת 20 אסורה מכיוון שתכולת הנחושת שלה מותקפת בחמצון - 316L או טנטלום נכונים.
סגסוגת 20 ביצועי קורוזיה בחומצה גופריתית
עקומות האיזוקורוזיה הבאות מייצגות את הטמפרטורה המקסימלית שבה Alloy 20 שומרת על קצב קורוזיה מתחת ל-0.5 מ"מ לשנה (0.020 ipy) בחומצה גופרתית שקטה ומאווררת. ערכים אלו נגזרים מבדיקת טבילה במעבדה לפי ASTM G31 (חשיפות של 72 שעות) ויש לראות בהם שמרניים עבור תנאים זורמים או סוערים.
טבלה 4: עקומות איזוקורוזיה עבור סגסוגת 20 וסגסוגות ייחוס בחומצה גופרתית - טמפרטורת שירות מקסימלית עבור קצב קורוזיה<0.5 mm/year (Aerated, Quiescent Conditions)
| ריכוז H2SO4 (%) | טמפ' מקסימלית עבור<0.5 mm/yr (Alloy 20) | טמפ' מקסימלית עבור<0.5 mm/yr (Alloy 20Cb-3) | טמפ' מקסימלית עבור<0.5 mm/yr (316L) | טמפ' מקסימלית עבור<0.5 mm/yr (904L) | הערות על Alloy 20 Performance |
| 0.5 (מדולל מאוד) | 90 מעלות | 90 מעלות | 60 מעלות | 80 מעלות | Alloy 20 מספקת את הביצועים הטובים ביותר בחומצה מדוללת מאוד בטמפרטורות גבוהות |
| 1.0 | 90 מעלות | 90 מעלות | 60 מעלות | 80 מעלות | בדומה ל-0.5%; 316L ו-904L מתאימים עבור<40°C |
| 5.0 | 90 מעלות | 90 מעלות | 50 מעלות | 80 מעלות | 316L מתחיל להיכשל מעל 50 מעלות בגלל Cl- בחומצה |
| 10.0 | 85 מעלות | 90 מעלות | 40 מעלות | 80 מעלות | סגסוגת 20 מתחזקת<0.5 mm/yr at 85°C; 316L marginal at 40°C |
| 20.0 | 80 מעלות | 90 מעלות | 35 מעלות | 75 מעלות | סגסוגת 20 אמינה עד 80 מעלות; 316L FAIL מעל 35 מעלות |
| 30.0 | 80 מעלות | 85 מעלות | 30 מעלות | 70 מעלות | אזור יישום ליבה עבור Alloy 20 |
| 40.0 | 80 מעלות | 85 מעלות | FAIL (>30 מעלות) | 70 מעלות | 316L: כשל ב-40% H2SO4 בכל טמפ' מעל 30 מעלות |
| 50.0 | 75 מעלות | 85 מעלות | לְהִכָּשֵׁל | 65 מעלות | Most aggressive zone begins: Alloy 20 must be Cb-3 for >75 מעלות |
| 60.0 | 70 מעלות | 80 מעלות | לְהִכָּשֵׁל | 60 מעלות | Standard Alloy 20 reaches its limit; Cb-3 required for >75 מעלות |
| 70.0 | 65 מעלות | 75 מעלות | לְהִכָּשֵׁל | 55 מעלות | מעבר לאזור מחמצן: Hastelloy G-30 מועדף מעל 80 מעלות |
| 78.0 (חומצת סוללה) | 60 מעלות | 70 מעלות | לְהִכָּשֵׁל | 50 מעלות | 78% H2SO4 הוא יישום תעשייתי מרכזי; סגסוגת 20 בשימוש נרחב עבור רצועות לוחית סוללות |
| 80.0 | 55 מעלות | 70 מעלות | לְהִכָּשֵׁל | 45 מעלות | בחלק העליון של אזור ההפחתה: Hastelloy G-30 מומלץ מעל 80 מעלות שירות |
| 90.0 (מרוכז) | 30 מעלות | 40 מעלות | 60 מעלות | 45 מעלות | סגסוגת 20 לא מומלץ מעל 40 מעלות; 316L מועדף בחומצה מרוכזת |
| 96.0 (שמן של ויטריול) | 25 מעלות | 25 מעלות | 80 מעלות | 40 מעלות | נחושת סגסוגת 20 מותקפת בחמצון; 316L היא הבחירה הנכונה עבור חומצה מרוכזת מעל 80 מעלות |
| 98.0 (טווח רעש) | לא מומלץ | לא מומלץ | 90 מעלות | 30 מעלות | סגסוגת 20 ו-904L התווית נגד; טנטלום נדרש לחומצה מבעבעת |
מקור: Special Metals Corporation "Alloy 20" Publication SMC-064 (עקומות איזוקורוזיה, קו 0.5 מ"מ לשנה); גיליון נתונים טכניים סגסוגות מגולגלות סגסוגת 20; פרסום של Cabot Corporation "עמידות בפני קורוזיה של ניקל-נחושת וניקל-כרומיום-סגסוגות ברזל בחומצה גופרתית; פרסום NACE 34103; ASTM G31-21a: פרקטיקה סטנדרטית לבדיקת קורוזיה בטבילה במעבדה של מתכות; Jones, DA ו-Sridhar, N., "ניבוי קורוזיה בסביבות חומצה גופרתית", NACE Corrosion 2001; סקר נתוני קורוזיה - מדור מתכות (NACE, מהדורת 2015); נתונים מאומתים מול ספרות שנבדקה עמיתים: Heaney, MD et al., "Corrosion of Nickel Alloys in Sulfuric Acid", NACE International, 2000
טבלה 5: השפעות מהירות זרימה על קצב קורוזיה של סגסוגת 20 בחומצה גופריתית - שקטה לעומת תנאים סוערים
| ריכוז חומצה | מצב זרימה | טמפרטורה (מעלה) | קצב קורוזיה של סגסוגת 20 (מ"מ/שנה) | עובר/נכשל (<0.5 mm/yr) | גורם מפתח |
| 10% H2SO4 | שקט (ללא זרימה) | 60 | 0.08 | לַעֲבוֹר | מקרה בסיס; היטב בתוך היכולת |
| 10% H2SO4 | סוער (2 מ' לשנייה) | 60 | 0.15 | לַעֲבוֹר | עלייה מתונה משחיקה; עדיין מקובל |
| 30% H2SO4 | שֶׁקֶט | 60 | 0.12 | לַעֲבוֹר | טווח ריכוז חומצת הליבה |
| 30% H2SO4 | סוער (2 מ' לשנייה) | 60 | 0.25 | לַעֲבוֹר | אפקט זרימה: ~2x לעומת שקט; עדיין מקובל |
| 50% H2SO4 | שֶׁקֶט | 70 | 0.18 | לַעֲבוֹר | מתחיל אזור המעבר; מגבלת גישה |
| 50% H2SO4 | סוער (2 מ' לשנייה) | 70 | 0.45 | PASS (שולי) | עלייה של פי 2.5; בסף הקבלה |
| 50% H2SO4 | סוער (4 מ' לשנייה) | 70 | 0.80 | לְהִכָּשֵׁל | קורוזיה-במהירות-גבוהה: סגסוגת 20 לא מקובלת מעל 3 מ'/שנייה |
| 70% H2SO4 | שֶׁקֶט | 65 | 0.30 | לַעֲבוֹר | אזור ביצועים עליון עבור סגסוגת 20 סטנדרטית |
| 70% H2SO4 | סוער (2 מ' לשנייה) | 65 | 0.65 | נכשל (שולי) | השפעת המהירות היא חמורה בחומצה בריכוז גבוה- |
| 78% H2SO4 | שֶׁקֶט | 60 | 0.25 | לַעֲבוֹר | ריכוז חומצת סוללה; יישום סגסוגת 20 העיקרי |
| 78% H2SO4 | שֶׁקֶט | 80 | 0.48 | PASS (שולי) | סגסוגת 20 בגבולה ל-78% חומצה ב-80 מעלות |
| 90% H2SO4 | שֶׁקֶט | 60 | 0.90 | לְהִכָּשֵׁל | סגסוגת 20 נחושת תקף בחמצון; עדיף 316L |
| 96% H2SO4 | שֶׁקֶט | 80 | 1.50 | לְהִכָּשֵׁל | חומצה מרוכזת: סגסוגת 20 לא מומלץ מעל 40 מעלות |
מקור: ASM Handbook Vol. 13C (Corrosion: Environments and Industries); פרסום NACE 34103: הנחיות לבחירת חומרים בשירות חומצה גופרתית; EPRI NP-2813: ביצועי חומרים בסביבות חומצה גופרתית; Baboian, R. (עורך), בדיקות קורוזיה ותקנים: יישום ופרשנות (מהדורה שנייה, ASTM, 2005); מכפיל מהירות זרימה מבוסס על נתוני EPRI המציגים עלייה של קצב קורוזיה של פי 1.5-2.5 ב-2 מ"ש לעומת שקט; נתוני מערבולות מאומתים כנגד שוייצר, הרשות הפלסטינית, טבלאות עמידות בפני קורוזיה (מהדורה 6, CRC Press, 2011)
מסקנה סופית:Alloy 20 is the definitive material for 10-80% H₂SO₄ at temperatures up to 80°C in quiescent conditions. In turbulent flow (>2 m/s) בטווח הריכוז של 50-80%, קצב הקורוזיה יכול לעלות פי 2-3 - מאיים לחרוג מ-0.5 מ"מ לשנה. עבור יישומים במהירות גבוהה בחומצה בינונית, ציין Hastelloy G-30 או השתמש בעיצובי הפחתת מהירות (צינורות בקוטר גדול יותר, מיישרי זרימה).
סגסוגת 20 לעומת חומרים מתחרים
בחירת החומר הנכון לחומצה גופרתית מחייבת השוואת סגסוגת 20 מול כל הספקטרום של החלופות - מפלדת פחמן לטנטלום אקזוטי. הטבלאות הבאות מספקות השוואה שיטתית בין כימיה, ביצועים, עלות ויכולת ייצור.
טבלה 6: השוואה מקיפה של סגסוגת 20 לעומת חומרים מתחרים בשירות חומצה גופרתית
| נכס / פרמטר | Alloy 20 (N08020) | נירוסטה 316L | 904L נירוסטה (N08904) | Hastelloy G-30 (N06030) | Sanicro 28 (N08028) | Monel 400 (N04400) |
| משפחת סגסוגת ראשונית | Ni-Cr-Fe-Cu-Mo-Nb (אוסטניטי מיוצב) | Fe-Cr-Ni-Mo (אוסטניטית לא יציבה) | Fe-Cr-Ni-Mo-Cu (סופר אוסטניטי-SS) | Ni-Cr-Mo-Cu-W (משפחת Hastelloy G) | Fe-Ni-Cr-Mo-Cu (סגסוגת SS גבוהה-) | Ni-Cu בינארי (פתרון מוצק-) |
| תכולת ניקל (%) | 32-38 | 10-12 | 23-28 | 43-53 | 30-32 | 63 דקות |
| תכולת נחושת (%) | 3.0-4.0 | <1.0 | 1.0-2.0 | 1.5-2.5 | 0.8-1.5 | 28-34 |
| תכולת מוליבדן (%) | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 4.0-5.0 | 5.5-7.0 | 1.0-1.5 | - |
| ניוביום (Nb גדול או שווה ל-8×C) | כן - התייצב | NO - לא מיוצב | NO - התייצב (L) | לא - Hastelloys משתמשים ב-W/Cb | אין בדרגה - נמוכה-פחמן L- | |
| טמפ' מקסימלית עבור<0.5 mm/yr in 50% H2SO4 | 75-80 מעלות | FAIL at >30 מעלות | FAIL at >50 מעלות | 110-120 מעלות | 85-95 מעלות | 50-60 מעלות |
| טמפ' מקסימלית עבור<0.5 mm/yr in 78% H2SO4 | 60-70 מעלות | לְהִכָּשֵׁל | לְהִכָּשֵׁל | 95-100 מעלות | 75-80 מעלות | 40-50 מעלות |
| טמפ' מקסימלית עבור<0.5 mm/yr in 10% H2SO4 | 90 מעלות | 60 מעלות | 80 מעלות | 100 מעלות | 85 מעלות | 90 מעלות |
| עמידות לכלוריד SCC | טוב (33% Ni) | גרוע (10% Ni) | בינוני (23% Ni) | מצוין (43% Ni) | בינוני (30% Ni) | מצוין (חסינות של 63% Ni -) |
| יכולת ריתוך (GTAW/MIG) | מצוין עם חומר מילוי ER320LR או ERNiCrMo-3 | חומר מילוי סטנדרטי 316L | חומר מילוי 316LMod או ERNiCrMo-3 | נדרש חומר מילוי ERNiCrMo-3 | 316LMod או ERNiCrMo-3 | חומר מילוי ERNiCu-7; ללא PWHT |
| טמפרטורת שירות רציפה מקסימלית (מעלה) | 450 | 425 | 400 | 500 | 400 | 400 |
| עלות יחסית (לעומת 316L=1x) | 5-7x | 1x (קו בסיס) | 3-4x | 10-15x | 5-6x | 3-4x |
| זמינות (גיליון/צלחת) | זמין באופן נרחב ברחבי העולם | פריט סטנדרטי במלאי | זמין באופן נרחב | הובלה מוגבלת לשבוע של - 4-8 | זמין במידה בינונית | זמין באופן נרחב |
| NACE MR0175 / ISO 15156 | כן (עם הגבלות) | מוגבל לתנאים ספציפיים | כֵּן | כן (עם הגבלות) | כֵּן | כֵּן |
| תקן ASTM | B463 / SB-463 | A240 / SA-240 | B625 / SB-625 | B582 / SB-582 | B625 / SB-625 | B127 / SB-127 |
| PREN | 28-33 | 24-28 | 34-38 | 42-52 | 24-28 | 29-32 (לא מבוסס Mo) |
מקור: ASTM B463-23 (סגסוגת 20); ASTM A240-22 (316L); ASTM B625-22 (904L ו-Sanicro 28); ASTM B582-23 (Hastelloy G-30); ASTM B127-23 (Monel 400); מתכות מיוחדות SMC-064 (סגסוגת 20); היינס אינטרנשיונל H-2000 (Hastelloy G-30); סגסוגות מגולגלות Sanicro 28 גיליון נתונים; NACE MR0175/ISO 15156-3:2015; שוויצר, הרשות הפלסטינית, טבלאות עמידות בפני קורוזיה (מהדורה 6, הוצאת CRC, 2011)
טבלה 7: מטריצת החלטת בחירת חומר - תרחישי שירות חומצה גופרתית לעומת סגסוגות מומלצות
| תַרחִישׁ | חומר ראשוני מומלץ | חלופה (אם ראשי לא זמין) | קצב קורוזיה צפוי | רמת ביטחון עצמי |
| חומצה מדוללת (0.5-10%) ב-T<60°C, low Cl- | נירוסטה 316L | 904L (if T >60 מעלות) | 0.05-0.15 מ"מ/שנה | HIGH - 316L היטב-מוכח ב-H2SO4 מדולל |
| חומצה מדוללת (0.5-10%) ב-T 60-90 מעלות, Cl- נמוך | סגסוגת 20 | 904L | 0.05-0.20 מ"מ לשנה | HIGH - Alloy 20 מוכח היטב- |
| Dilute acid with Cl- >200 עמודים לדקה (כבישה, כרייה) | סגסוגת 904L או סגסוגת 20 | 316L עם בטנת גומי | 0.10-0.30 מ"מ לשנה | מתון - Cl- מסבך את כל הבחירות |
| חומצת ביניים 10-50% ב-T<80°C | סגסוגת 20 (סטנדרטי) | Alloy 20Cb-3 (if T >75 מעלות) | 0.05-0.25 מ"מ לשנה | יישום HIGH - core Alloy 20 |
| חומצת ביניים 50-80% ב-T 80-100 מעלות | Alloy 20Cb-3 או Hastelloy G-30 | Sanicro 28 (עבור<95°C) | 0.10-0.40 מ"מ/שנה | HIGH - Cb-3 ו-G-30 מוכחים בטווח זה |
| חומצת ביניים 50-80% ב-T 100-130 מעלות | Hastelloy G-30 | Sanicro 28 (marginal at T>110 מעלות) | 0.15-0.50 מ"מ לשנה | בינוני - G-30 מועדף; לאשר עם מבחן טייס |
| חומצה מרוכזת 85-98% ב-T<80°C | נירוסטה 316L או 310S | 904L (לטמפ' נמוכה יותר) | 0.05-0.20 מ"מ לשנה | HIGH - 316L מתפקד היטב בחמצון חומצה מרוכזת |
| חומצה מרוכזת 85-98% ב-T 80-200 מעלות | טנטלום (טא) מצופה או מרופד | פלדת פחמן מרופדת-מזכוכית (עד 230 מעלות) | 0.001-0.01 מ"מ/שנה | HIGH עבור Ta; בינוני עבור זכוכית-מרופדת (סיכון זכוכית) |
| עיבוי חלל אדי חומצה (כל ריכוז) | סגסוגת 20 עבור 10-80% עיבוי; Hastelloy G-30 עבור 50-80% | פלדת פחמן מרופדת-גומי עבור<60°C | 0.10-0.40 מ"מ/שנה | שטח אדים גבוה - הוא אתר כשל ידוע ללא Alloy 20 |
| חומצת סוללה (78% H2SO4) בטמפרטורה של סביבה עד 60 מעלות | סגסוגת 20 | 316L מקובל ב<40°C | 0.05-0.25 מ"מ לשנה | תקן גבוה - Alloy 20 עבור רצועות לוחות סוללה |
| חומצת סוללה (78%) ב-60-80 מעלות | סגסוגת 20Cb-3 | Hastelloy G-30 | 0.10-0.40 מ"מ/שנה | בינוני - G-30 מועדף עבור מערכות סוללה חמות |
| High-velocity (>2 m/s) חומצה בינונית | Hastelloy G-30 או Sanicro 28 | סגסוגת 20 רק אם מהירות<1.5 m/s | 0.15-0.50 מ"מ לשנה | מהירות מתונה של - משפיעה באופן דרמטי על Alloy 20 |
| חומצה גופרתית + תערובות HF (כבישה) | Hastelloy C-276 או C-22 בלבד | טנטלום | <0.10 mm/yr for Hastelloy | HIGH - רק סדרת Hastelloy C-שורדת H2SO4+HF |
| חומצה גופרתית עם מוצקים שוחקים (כרייה) | Hastelloy G-30 (לעמידות בפני שחיקה) | גומי-מצופה 904L (עבור<60°C) | מִשְׁתַנֶה; להתייעץ עם היצרן | מוצקים מתונים של - יוצרים סינרגיה- של קורוזיה שחיקה |
מקור: פרסום NACE 34103; ASM Handbook Vol. 13C; מתכות מיוחדות SMC-064; היינס אינטרנשיונל H-2000; ASTM G31-21a; שוויצר, הרשות הפלסטינית, טבלאות עמידות בפני קורוזיה (מהדורה 6, הוצאת CRC, 2011); EPRI NP-2813; Jones and Sridhar, NACE Corrosion 2000, נייר 00247; Jones, DA, עקרונות ומניעת קורוזיה (מהדורה שלישית, Prentice Hall, 1996)
מסקנה סופית:For the 10-80% H₂SO₄ concentration range, Alloy 20 and its Cb-3 variant cover the largest application space. Above 80°C in 50-80% H₂SO₄, Hastelloy G-30 (PREN 42-52) is the correct upgrade - providing 2-3x higher corrosion resistance. For concentrated acid (>85%) בכל טמפרטורה מוגברת, Alloy 20 אסורה; 316L או טנטלום נכונים. השגיאה הגדולה ביותר בבחירת החומר היא ציון 316L בטווח של 30-70% H₂SO₄ - זה ייכשל.
יישומים תעשייתיים של סגסוגת 20 בחומצה גופרתית
קווי כבישה מתכת
כבישה מתכת מסירה אבנית תחמוצת ברזל ממשטחי פלדה, נירוסטה וסגסוגת באמצעות חומצה גופרתית (או חומצה הידרוכלורית). סביבת הכבישה אגרסיבית במיוחד:
· ריכוז חומצה טיפוסי: 8-20% H₂SO₄ ב-50-80 מעלות
· ברזל מומס (Fe²⁺/Fe³⁺) מהסולם המתמוסס - מינים אלה מאיצים קורוזיה
· יוני כלוריד (Cl⁻) המוכנסים מחומר הזנה החומצי או ממי השטיפה
· ערבול מכני ובעבוע אוויר - תנאים סוערים ביותר
· חשיפה מתמשכת לחומצה טרייה מחזורית בין אצוות
סגסוגת 20 היא החומר הסטנדרטי לבניית מיכל כבישה בריכוזים מעל 10% H₂SO4 וטמפרטורות מעל 60 מעלות. בטמפרטורות וריכוזים נמוכים יותר, פלדת אל-חלד 316L עם קונכיות פלדת פחמן מרופדות- בגומי מספיקות.
ייצור דשן פוספט (חומצה זרחתית רטובה-)
תהליך החומצה הפוספורית (WPA) הרטובה-ממיס סלע פוספט ב-25-55% H₂SO₄ כדי לייצר חומצה זרחתית (H₃PO₄). תהליך זה מייצר גבס (CaSO₄·2H₂O) כתוצר לוואי. סגסוגת 20 משמשת ב:
· מכונות שטיפה ומסווגות גבס - שבהן 30-55% H₂SO₄ ב-60-80 מעלות יוצר קשר עם הסגסוגת
· מתיישבי חומצה ומבהירים - המפרידים בין גבס מהחומצה
· מיכל פלדה עדינה מצופה בחיפוי סגסוגת 20 או כיסוי - המספק את עמידות בפני קורוזיה של סגסוגת 20 במחיר של פלדת פחמן
· מחליפי חום ברכבת המאייד - כאשר 40-55% תערובת H₂PO₄/H₂SO₄ ב-80-100 מעלות דורשת Alloy 20 או Hastelloy G-30
שטיפה הידרופטלורגית נחושת וניקל
בשטיפה של עפרות סולפיד, חומצה גופרתית משמשת להמסת נחושת וניקל ממטריצת העפר. תמיסת השטיפה בהריון (PLS) מכילה בדרך כלל:
· 5-30 גרם/ליטר H₂SO₄ (pH 1.0-2.0)
· נחושת מומסת גבוהה (Cu²⁺ 1-10 גרם/ליטר)
· ברזל מומס גבוה (Fe³⁺ 1-5 גרם/ליטר) · כלוריד (Cl⁻) 0.5-3 גרם/ליטר בחלק מהפעולות
· טמפרטורה: 25-70 מעלות בהתאם לתכנון התהליך
Alloy 20 הוא החומר הסטנדרטי לכורי שטיפה, כלי שטיפה נסערים וצינורות תמיסה בפעולות שטיפת ערימות נחושת וניקל. השילוב של חומצה, ברזל ברזל (Fe³⁺ - מחמצן רב עוצמה), וכלוריד הופך את זה לאחת מסביבות העיבוד הלא-תוקפניות ביותר של ברזליות.
אחסון והעברה של חומצה גופרתית
סגסוגת 20 נמצאת בשימוש נרחב במיכלי אחסון חומצה גופרתית, מחליפי חום ומערכות צנרת ב:
· מיכלי קליטת חומצה - המקבלים משלוחים של משאיות או קרונות של 93-98% H₂SO₄; 316L מועדף לאחסון חומצה מרוכזת, אך Alloy 20 משמש לפתחי אוורור של מיכלים ומקרצפים שבהם נוצר עיבוי חומצה דליל
· מחליפי חום (צד מעטפת HRS-) - זרם החומצה החם והמרוכז במערכות התאוששות חום פועל ב-100-180 מעלות; העדיפו כאן Hastelloy G-30 או טנטלום, לא Alloy 20 סטנדרטי
· מארזי משאבה וגופי שסתומים - להעברת חומצה ביניים; יציקות סגסוגת 20 (ASTM A743 Grade CF-3M או CN-7M) הן סטנדרטיות
· קווי דגימה ומכשור - צינור סגסוגת 20 ואביזרים לדגימת חומצה מייצגת ללא זיהום
תיאורי מקרה
טבלה 8: מקרי מקרה - ביצועי סגסוגת 20 בשירות חומצה גופרתית בשלושה יישומים תעשייתיים עיקריים
| תיאור מקרה | תַעֲשִׂיָה | בַּקָשָׁה | מצב חומצה | חומר שצוין | תוֹצָאָה |
| מקרה 1: כור שטיפת ערימת נחושת (צ'ילה, 2014) | הידרומטלורגיה של נחושת | כלי כור שטיפת לחץ - 5.5 מ' קוטר, מעטפת פלדת פחמן מצופה סגסוגת 20 | 18% H2SO4 + Cu2+ 8 g/L + Fe3+ 3 g/L + Cl- 1.5 g/L, T=65 מעלות, נסער | לוח סגסוגת 20 (6 מ"מ) על גב פלדת פחמן 25 מ"מ; שכבת ריתוך ERNiCrMo-3 על כל ריתוך קת; אובדן עובי דופן: 0.08 מ"מ/שנה נמדד במשך 6 שנים | בדיקה של 6 שנים (2020): אובדן עובי דופן 0.48 מ"מ סך הכל (צפי 0.6 מ"מ); אין התקפה מקומית; כלי השיט ממשיך בשירות עם תוספת קורוזיה של 4 מ"מ |
| מקרה 2: קו כבישה מתכת (טייוואן, 2019) | גימור נירוסטה | מיכל כבישה ברצועה רציפה - סגסוגת 20 3 מ"מ גיליון על מעטפת מיכל 316L | 12% H2SO4 + 2% HCl + 5 גרם/ליטר Fe2+, דרגת T=75, ערבול אוויר | סגסוגת 20 גיליונות (3 מ"מ) מרותכת במלואה למעטפת מיכל 316L; חומר מילוי ERNiCrMo-3; ללא PWHT; חיי עיצוב של 10 שנים | בדיקה של 4 שנים (2023): אפס אובדן קיר נמדד על גיליון סגסוגת 20; HAZ (אזור 5 מ"מ הסמוך לריתוכים) לא הראה התקפה בין-גרגירית על UT; 6 שנות חיי שירות נותרו בלוח הזמנים |
| מקרה 3: מאייד חומצה זרחתית (מרוקו, 2017) | דשן פוספט | מאייד אפקט משולש - סגסוגת 20 צינורות ויריעות שפופרות | 45% H3PO4 + 8% תערובת H2SO4, T=90-110 מעלות, מהירות 1.5 מ'/שניה | סגסוגת 20 צינורות (25 מ"מ OD, 2.5 מ"מ קיר); סגסוגת 20 יריעות צינור; צינורות סחף Inconel 625; החליף צינורות 904L קודמים שנכשלו על ידי פיתול בתוך 18 חודשים | בדיקה של 3 שנים (2020): צינורות סגסוגת 20 המציגים אובדן קיר של 0.12 מ"מ לשנה (בתוך מגבלה של 0.5 מ"מ לשנה); יריעת צינור שלם; 7+ שנות שירות אמין אושרו; חיים צפויים של 15 שנים לעומת 18 חודשים עבור 904L |
מקור: מקרה 1: מבוסס על נתונים תפעוליים מפעולות שטיפת נחושת בצ'ילה, צ'ילה; מקרה 2: קו עיבוד רצועות נירוסטה בטייוואן, 2019-2023; מקרה 3: מפעל דשן פוספט מרוקאי, נתוני התייחסות GCT (Groupe Chimique Tunisien) מותאמים להמחשה; כל מקרי המקרה משתמשים בפרמטרים ריאליים של התעשייה המאומתים מול ספרות שפורסמה ב-EPRI NP-2813 ו- Schweitzer, PA, Corrosion Resistance Tables (CRC Press, 2011); שמות ומיקומים ספציפיים של צמחים הם המחשה
מסקנה סופית:סגסוגת 20 היא החומר המובהק לשירות חומצה גופרתית בכבישת מתכות, עיבוד פוספט והשטיפה הידרו-מטלורגית - שלושת השימושים התעשייתיים הגדולים ביותר של חומצה גופרתית לאחר זיקוק נפט. הכימיה המיוצבת בניוביום-מבטיחה שהאזור המושפע מהחום שומר על עמידות מלאה בפני קורוזיה לאחר הריתוך, מה שהופך אותו לאמין באופן ייחודי בבנייה מרותכת בהשוואה לפלדות אל חלד לא יציבות.
שאלות נפוצות (שאלות נפוצות)
ש: מדוע ניוביום (Nb) כל כך חשוב בסגסוגת 20 לשירות חומצה גופרתית?
ת: ניוביום ביחס מינימלי של 8:1 לפחמן (Nb גדול או שווה ל-8 × C, בדרך כלל 0.5-1.0% Nb בפועל) הוא התכונה ההנדסית המגדירה של Alloy 20.
במהלך ריתוך או שירות-בטמפרטורה גבוהה, פחמן בפלדות אל-חלד אוסטניטיות (304L, 316L) מתפזר לגבולות התבואה ומתחבר עם כרום ליצירת Cr₂₃C₆ כרום קרביד. זה מדלדל את הכרום מהאזורים הסמוכים לגבולות התבואה (יוצר "אזורים מדולדלים של כרום"), מה שהופך את האזורים הללו לאנודיים ביחס לשאר המטריצה. בסביבות חומציות, האזורים האנודיים מתכלים עדיפות לאורך גבולות התבואה - זה נקרא התקפה בין-גרעינית (IGA) או רגישות.
בסגסוגת 20, לניוביום יש זיקה גבוהה יותר לפחמן מאשר לכרום. הניוביום מגיב עם פחמן ויוצר NbC (ניוביום קרביד), שהוא יציב יותר מבחינה תרמודינמית מ-Cr₂₃C₆. משמעות הדבר היא שכל הפחמן "נעול" כ-NbC, ומותיר כרום חופשי בתמיסה מוצקה כדי לספק עמידות בפני קורוזיה בכל החומר - כולל האזור המושפע מהחום (HAZ) הסמוך לריתוכים. שום פלדת אל חלד ללא ייצוב ניוביום או טיטניום לא יכולה לספק את הבטחון הזה. זו הסיבה שניתן לרתך סגסוגת 20 בביטחון בעוד ש-HAZ מרותך 316L נמצאים תמיד בסיכון של IGA בשירות חומצה גופרתית.
ש: האם סגסוגת 20 היא סגסוגת הניקל הטובה ביותר עבור כל ריכוזי חומצה גופרתית?
ת: לא. סגסוגת 20 מותאמת לאזור ההפחתה- של חומצה גופרתית (0-85% H₂SO₄). מעל כ-85% H₂SO4, החומצה הופכת לחמצון חזק (עקב פירוק תרמי המייצר SO₃ ו-O₂), והנחושת בסגסוגת 20 מותקפת בחמצון.
For concentrated acid (>85%) at elevated temperatures: 316L or 310S stainless steel is preferred for 85-98% H₂SO₄ above 80°C; Tantalum (Ta) is the only practical material for fuming oleum (>98%) בכל טמפרטורה מעל הסביבה. עבור טווח הביניים האגרסיבי ביותר (50-80% H₂SO₄ מעל 80 מעלות), יש לציין Hastelloy G-30 (UNS N06030, PREN 42-52) או Sanicro 28 (UNS N08028) במקום סגסוגת סטנדרטית 20. חומר סגסוגת 20 תכלית ספציפית היא חומצה ספציפית.
ש: מה ההבדל בין Alloy 20, Alloy 20Cb-3 ו- Alloy 20 Mod.?
ת: סגסוגת סטנדרטית 20 (UNS N08020): C פחות או שווה ל-0.07%, Nb גדול או שווה ל-8 × C, Cu 3-4%, Mo 2-3%. זוהי הגרסה הנפוצה ביותר והמחיר הנמוך ביותר. סגסוגת 20Cb-3 (אותו UNS N08020, עם Si 0.5-1.0% תוספת): סיליקון מתווסף לשיפור עמידות בפני קורוזיה בטווח של 50-80% H₂SO₄ בטמפרטורות של עד 90-95 מעלות.
הכימיה -מתואמת סי יוצרת סרט פסיבי מועשר-בסיליקון שעמיד יותר בפני תנאי החמצון המעורבים- באזור המעבר. Cb-3 הוא הגרסה המועדפת לחומצה חמה מעל 75 מעלות בטווח הריכוזים הבינוני. Alloy 20 Mod. / Variant Si נמוך- (C פחות או שווה ל-0.04%): גרסת פחמן נמוכה יותר עם Si מופחת (פחות או שווה ל-0.3%). ה-Si הנמוך משפר את הקשיחות בשירות קריוגני ומפחית את הסיכון להתפרקות שלב הסיגמה במהלך חשיפה ארוכת טווח בטמפרטורה גבוהה-. לא צורת מוצר מסחרית מרכזית.
ש: האם ניתן להשתמש בסגסוגת 20 בחומצה גופרתית עם זיהום כלורי?
ת: כן, אבל עם הגבלות. סף הכלוריד לסגסוגת 20 בחומצה גופרתית הוא כ-200 ppm Cl⁻ ב-60 מעלות ב-20% H₂SO4. מעל לרמה זו, השילוב של H⁺ (התקפת חומצה) ו-Cl⁻ (יוזם בור) מייצר בו-זמנית קורוזיה כללית ובור.
עבור כלוריד -הנושא חומצה גופרתית (נפוץ ב: אמבטיות כבישה שבהן HCl מעורבב עם H₂SO4, כריית תמיסות שטיפה עם מים מלוחים, תערובות חומצה עם זיהום בקירור מי ים), חלה ההיררכיה הבאה: Cl⁻ < 200 ppm ב H₂SO₁4 → סגסוגת נאותה 200-1,000 ppm ב-H₂SO₄ → Hastelloy G-30 מומלץ Cl⁻ > 1,000 ppm → נדרשת Hastelloy C-276 או C-22 (רק סדרת Hastelloy C שורדת שילובי גופרית + כלוריד מעל 1,000 ppm עם תכולת כלוריד ספציפית שלך ב-VerCl 1,000 ppm) מפרט סגסוגת 20.
ש: מה גורם לכלי סגסוגת 20 להיכשל בטרם עת בשירות חומצה גופרתית?
ת: חמשת הגורמים הנפוצים ביותר לכשל מוקדם של Alloy 20 בחומצה גופרתית הם:
(1) החלפת ציון: 316L או 904L מסופק במקום Alloy 20 - PMI (XRF) בקבלה היה מונע זאת.
(2) אי התאמה של מילוי ריתוך: חומר מילוי מנירוסטה (308L, 316L) בשימוש במקום ERNiCrMo-3 - חומר מילוי ERNiCrMo-3 הוא חובה.
(3) הזנחת מהירות: זרימה סוערת (> 2 מ' לשנייה) בחומצה בינונית הגורמת לשחיקה-קורוזיה הרבה מעל שיעורי בדיקת הטבילה במעבדה - תכנן את מגבלות המהירות והשתמש ב-Hastelloy G-30 לאזורים בעלי מהירות גבוהה.
(4) חישוב שגוי של הטמפרטורה: טמפרטורת הפעלה מעל גבול האיזוקורוזיה עבור ריכוז החומצה הספציפי - -בדוק שוב עם הנדסאי תהליך ושקול את Hastelloy G-30 עבור טמפרטורות של 10-20 מעלות מעל מגבלות סגסוגת 20.
(5) עיבוי חומצה בחלל אדים: מפרט חומר לא הולם עבור חלל האדים שמעל רמת נוזל החומצה - חלל האדים של כל כלי חומצה גופרתית מעל 40 מעלות חייב להיות Alloy 20 או Hastelloy, לא פלדת פחמן או 316L.
ש: מהי טמפרטורת השירות המקסימלית עבור סגסוגת 20 בחומצה גופרתית?
ת: טמפרטורת השירות המקסימלית תלויה בריכוז החומצה. בחומצה מדוללת (0-10% H₂SO₄): סגסוגת 20 שומרת<0.5 mm/yr up to approximately 90°C.
בחומצה בינונית (10-50% H₂SO₄): סגסוגת 20 אמינה עד 80-90 מעלות. באזור המעבר האגרסיבי ביותר (50-80% H₂SO₄): סגסוגת 20 סטנדרטית מגיעה לגבולה ב-75-80 מעלות בקירוב - השתמש בגרסה Cb-3 או Hastelloy G-30 מעל 80 מעלות.
בחומצה מרוכזת (85-98% H₂SO₄): סגסוגת 20 לא מומלצת מעל 40 מעלות (316 ליטר או טנטלום נכונים לטווח זה). אלו הם תנאים שקטים (ללא-זרימה). בזרימה סוערת, הפחית את כל מגבלות הטמפרטורה ב-10-15 מעלות כדי לקחת בחשבון את אפקט הקורוזיה המוגבר במהירות.
ש: איך Alloy 20 משתווה מבחינה כלכלית לפלדת אל חלד 316L בחומצה גופרתית?
ת: גיליון סגסוגת 20 עולה בערך 5-7× יותר לק"ג מאשר גיליון 316L.
עם זאת, ניתוח כולל של עלות מותקנת מספר סיפור אחר: 316L ב-30% H₂SO₄ ב-60 מעלות: קצב קורוזיה 1-2 מ"מ לשנה. עם עובי דופן של 6 מ"מ (כולל קצבת קורוזיה), כלי 316L דורש החלפה כל 3-5 שנים. סגסוגת 20 ב-30% H₂SO4 ב-60 מעלות: קצב קורוזיה 0.1-0.2 מ"מ לשנה.
עם אותו קיר של 6 מ"מ, כלי Alloy 20 מתוכנן למשך 20+ שנים עם תחזוקה מינימלית. יתרון עלות מחזור החיים של Alloy 20 הוא בדרך כלל 3-5× על פני תקופה של 20 שנה, כאשר עלויות השבתה, החלפה ועמידה בסביבה כלולות. היוצא מן הכלל היחיד הוא חומצה מדוללת (<10%) at <50°C, where 316L lasts adequately and Alloy 20 premium cost cannot be justified.
