Superduplex in de chemische procesindustrie

De PREN van 6%Mo austenitisch roestvast staal is iets hoger dan die van ZERON®100, maar er is aangetoond [1] dat de PREN van hooggelegeerde austenitische legeringen 2 tot 3 PREN-punten hoger dient te zijn om te komen tot een weerstand tegen spleetcorrosie die vergelijkbaar is met die van duplex roestvast staal. De PREN van legering C-276 is veel hoger dan die van ZERON®100, maar in veel commerciële oplossingen blijkt ZERON®100 gelijkwaardig of beter gedrag te vertonen in vergelijking met nikkellegeringen.
 

Tabel 1. Samenstelling van enkele in de chemische en procesindustrie gangbare RVS-typen.

Legeringseigenschappen
 

De mechanische eigenschappen van ZERON®100, in vergelijking met sommige gangbare legeringen, zijn opgenomen in tabel 2. Het is duidelijk te zien dat ZERON®100 veel sterker is dan de andere legeringen, zelfs sterker dan de 22%Cr duplexlegering. Het sterkteverschil neemt nog toe boven 150°C omdat het sterkteverlies met stijgende temperatuur voor ZERON®100 veel minder is dan voor andere legeringen zoals 6%Mo austenitisch roestvast staal. De hoge sterkte biedt tevens hogere vermoeiïngsweerstand voor roterende en wisselend belaste apparatuur en slijtvastheid in slurries en licht abrasieve milieus. Als er bij het ontwerpen gebruik wordt gemaakt van deze sterkte dan kunnen er aanzienlijke besparingen worden behaald, niet alleen vanwege geringere wanddiktes, maar ook wegens besparing op fabricagekosten en tijd. Het besparingsvoordeel van superduplex roestvast staal, in vergelijking met austenitisch roestvast staal en nikkellegeringen, wordt nog verdere versterkt wegens zijn lage gehalte aan met name nikkel. Er zijn normen opgesteld voor ZERON®100 door de betreffende instanties voor PD5500 en ASME VIII division 1 voor vaten en ASME B31.3 voor pijpen.  De goedgekeurde ontwerpspanningen bij kamertemperatuur zijn verzameld in tabel 3 en daaruit valt op te maken dat ZERON®100 de hoogste ontwerpsterkten biedt.


In geval van vaten heeft PD5500 de voorkeur voor ontwerp wegens de grotere potentiële wanddiktebesparingen. PD5500 geeft gebruiks­temperaturen die lopen van -50°C tot 250°C, terwijl ASME VIII ontwerpspanningen geeft tot 310°C. Gebruik bij lage temperaturen wordt bepaald door het bereiken van een aanvaardbaar sterkteniveau bij de minimum ontwerptemperatuur. Gebruik gedurende langere tijd bij temperaturen boven 300°C kan verbrossing veroorzaken en dient te worden vermeden. ZERON®100 is goed lasbaar met alle gangbare booglasprocessen. Het wordt gewoonlijk gelast met ZERO®N100 X-lastoevoegmetaal, dat 2 tot 2,5% extra nikkel bevat ter verzekering van een correcte fasebalans van het lasmetaal in de gelaste toestand. Net als alle hooggelegeerde RVS-typen, vereist ZERON1®00 lassers die ervaring hebben met het bewerken van roestvast staal volgens goedgekeurde en gekwalificeerde procedures. Constructies worden gewoonlijk afgeleverd in de gelaste toestand omdat spanningarm bloeien niet nodig is en alleen maar schadelijk zou zijn voor de eigenschappen. Levering is geen probleem omdat ZERON®100 leverbaar is in alle gangbare productvormen, waaronder gietstukken, pijpen, flenzen, fittingen, plaat, staf, billet, bevestigingsmateriaal enzovoort. RA Materials, een divisie van Rolled Alloys, beschikt over een grote voorraad van voornoemde productvormen.
 

Tabel 2. Minimum mechanische eigenschappen van enkele in de chemische en proces industrie gangbare RVS-typen.

Corrosieweerstand
 

ZERON®100 is aanvankelijk ontworpen voor gebruik in zeewater en het beschikt over uitstekende weerstand tegen putcorrosie en spleetcorrosie tot ongeveer 40°C in zowel natuurlijk als gechloreerd zeewater. Dit maakt de legering zeer aantrekkelijk voor warmtewisselaars die zeewater of brak water gebruiken om agressieve chemicaliën te koelen. ZERON®100 is tevens bestand tegen plaatselijke corrosie in neutrale chlorideoplossingen over een breed bereik aan concentraties en temperaturen. De legering vindt toepassing in brijn afvoerleidingen in ontziltingsinstallaties alsmede in indikkers en verdampers. Net als alle duplex roestvast staal, bezit ZERON®100 uitstekende weerstand tegen chloride scheurvormende spanningscorrosie (SSC). Scheuring wordt alleen een risico bij hoge chloride concentraties en hoge temperaturen, vaak bij zeer lage pH-waarden. Het koper en wolfraam in geeft het zijn goede weerstand tegen anorganische zuren, zoals zwavelzuur, zoutzuur en fosforzuur, en die is beter dan die van tal van andere legeringen zoals 904L en Alloy 20. Bovendien heeft de legering uitstekende weerstand tegen organische zuren zoals mierezuur en azijnzuur, zelfs bij hoge temperaturen.
 

Afbeelding 1. ZERON® 100-vat dat is geleverd aan een pigmentfabrikant in het VK.

Toepassingen
 

Hieronder volgen enkele voorbeelden van het gebruik van ZERON®100, die de diversiteit van de toepassingen in de chemische en procesindustrie illustreren. Het wordt gebruikt bij de productie van synthetisch rubber. Winnik en medewerkers [2] beschrijven het gebruik voor pompen en leidingen in een polymerisatiereactorcyclus (methylchloride plus AlCl3-katalysator). Bij deze toepassing treden temperatuurswisselingen op tussen -120°C en +82°C. Derhalve dient superduplex een bewezen breuksterkte te hebben bij de laagst mogelijke bedrijfstemperatuur. Het materiaal doorstond consistent de Charpy-testspecificatie van minimaal 40?J en een laterale uitzetting van 0,38?mm bij -120°C. Alloy?20 (UNS N08020) had te lijden van ernstige erosie corrosie in dit milieu. Het succesvol gebruik voor deze toepassing heeft geleid tot verscheidene herhalingsorders. ZERON®100 werd gekozen wegens zijn combinatie van hoge sterkte en corrosieweerstand. Het alternatief bestond uit een nikkellegering, die veel duurder zou zijn. Al deze reactoren, zowel in de VS als in Groot Brittannië zijn nu uitgerust met pompen van ZERON®100. De weerstand tegen corrosie in sterke brijn en andere geconcentreerde oplossingen is hierboven beschreven. Het werd gebruikt voor afvoerleidingen achter pompen in een natriumsulfaat kristalliseervat, geïnstalleerd in Zuid-Afrika. De eenheid werkt bij 105°C met een 30?gew.% oplossing van natriumsulfaat plus vaste stof. Er bestond enige zorg met betrekking tot de afvoerleidingen voor zowel corrosie als erosie. De 120 mm diameter leiding is gemaakt van ZERON®100-plaat en werkt naar volle tevredenheid sinds 2001. RA® Materials heeft twee vaten geleverd aan een in Groot Brittannië gevestigde pigment fabrikant wegens de hoge weerstand van de legering tegen corrosie en SSC in een basische vloeistof met hoog chloridegehalte.


De vaten zijn inmiddels gedurende meer dan tien jaar in bedrijf zonder enige problemen. (afbeelding 1). Bij proeven in een azijnzuurfabriek bleek ZE­RON®100 beter te zijn dan zowel Alloy 20 als Alloy C-276 (beide nikkellegeringen) en wordt gebruikt voor afsluiters en leidingen in een fabriek in Groot Brittannië.  De legering is ook geleverd aan het Jubail Acetal complex in Saudi Arabië. Teraftaalzuur (TPA) wordt gemaakt van azijnzuur en er wordt ZERON®100 gebruikt in de TPA fabriek in de VS ter vervanging van 317L roestvast staal dat ernstig corrodeerde tijdens gebruik. Bij de vinylchloride monomeer productie, bestaat een deel van het proces uit het koelen van gasvormige producten. Onder bepaalde omstandigheden resulteert dit in condensatie van zoutzuur op de warmtewisselaarpijpen. Het is gekozen voor de warmtewisselaarpijpen wegens zijn uitstekende weerstand tegen zowel het koelmiddel dat bestaat uit brak water, als het zoutzuur aan de productzijde [3]. Het werd bij twee opvolgende fabrieksuitbreidingen gekozen voor de warmtewisselaar­pijpen en voor andere toepassingen die gepaard gaan met het verwerken van gechloreerde koolwaterstoffen, waar het goed functioneert vanaf 1996. ZERON® 100 fungeert goed in gebruikte zuren en zuur/chloriden en wordt gebruikt voor leidingen in een rutielfabriek in Saudi Arabië die werkt via de zoutzuurroute en de centrifuges in een fabriek in Groot Brittannië die werkt via de zwavelzuurroute. Bij deze toepassingen vervangt ZERON®100 lager gelegeerd materiaal dat corrodeerde en onvoorziene bedrijfsstilstand veroorzaakte.
ZERON® 100 heeft in het geheel getoond een goede weerstand te bezitten tegen corrosie in een groot aantal corrosieve chemicaliën. De hoge sterkte van de legering betekent dat lagere kosten, hogere integriteit van de constructies mogelijk zijn en dat veel processen profijt kunnen hebben van de unieke eigenschappen van de legering.

Warmtewisselaar die wordt gebouwd voor een VCM-fabriek in Egypte.

Tabel 3. Ontwerpspanningen voor sommige gangbare RVS-typen bij kamertemperatuur.

Referenties
1. C.W. Kovach, J.D. Redmond, Paper 267, Corrosion'93, New Orleans, LA, USA, March 1993, NACE International.
2. S. Winnik, B.J. Fitzgerald, Paper 390, Corrosion'94, Baltimore, MD, USA, March 1994, NACE International.
3. M. Zahler, Stainless Steel World Conference, Maastricht, Nederland, November 2003, KCI, p. 122.