Duplex roestvast staal voor chemische en petrochemische toepassingen
Duplex roestvast staal wordt op ruime schaal toegepast in chemische en petrochemische installaties voor buisleidingen, vaten en vloeistofverwerkende apparatuur zoals pompen en afsluiters. Legeringen van deze soort bieden hogere corrosieweerstand, met name tegen scheurvormende spanningscorrosie, dan austenitisch roestvast staal. Bovendien gaat dit gepaard met hogere mechanische sterkte en erosieweerstand. De keuze van een geschikt duplextype kan de noodzaak van een duurder austenitisch type met hoog nikkelgehalte of een nikkellegering ongedaan maken.
Artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 8 1994, artikel 53
Bespreking
In de chemische-procesindustrie vinden talrijke metalen en legeringen een toepassing om het hoofd te kunnen bieden aan de veelheid van voorkomende corrosieve media. Voor wat betreft legeringen, die vallen doorgaans in een van vijf groepen:
- 13Cr ferritisch staal
- austenitisch roestvast staal
- hoog-nikkelhoudend 'super' austenitisch roestvast staal
- duplex roestvast staal
- nikkellegeringen
Als er moet worden gelast, dan moeten ook het gemak waarmee dat plaatsvindt, alsmede het aan elkaar lassen van verschillende vormen zoals gietstukken en smeedstukken en de noodzaak van gloeien na het lassen in ogenschouw worden genomen. Als wordt gekozen voor gieten, dan moeten de gieteigenschappen van de diverse in aanmerking komende legeringen op hun merites worden bekeken om te kunnen vaststellen welke een optimaal gietstuk zalleveren bij een minimum aan uitval. Toen bleek dat austenitisch roestvast staal van het type 18Cr, 10 Ni, 3Mo tekortschoot in de agressievere condities zoals die heersen in een chemische fabriek, was gedurende vele jaren het enige alternatief het gebruik maken van het relatief dure hoog-nikkelhoudende austenitisch roestvast staal of een nikkellegering. Het hoog-nikkelhoudende austenitisch roestvast staal werd dikwijls aangediend met de generieke aanduiding 'alloy 20'. Het bevat ongeveer 20 % Cr en 29 tot 34 % Ni en de talrijke giet-en smeedtypen bevatten variërende hoeveelheden koper en molybdeen, terwijl sommige zijn gestabiliseerd door toevoeging van niobium. Hoog-nikkelhoudend austenitisch roestvast staal staat bekend om zijn weerstand tegen corrosie door zuren en zijn goede weerstand tegen chloridehoudende zuren.
Nikkellegeringen zijn weliswaar duur, maar ze bezitten dan ook uitstekende weerstand tegen zuren bij hoge temperatuur alsmede tegen reducerende zuren. Voor bepaalde milieus bieden nikkellegeringen, zoals de typen HASTELLOY B en C® een aantrekkelijke prijs/levensduurverhouding en soms vormen ze het enige alternatief. De wijdst verbreide nikkellegering is waarschijnlijk de 16Cr, 16Mo-nikkellegering, die bekend staat om haar weerstand tegen reducerende en gemengde zuren en die ook kan worden gebruikt in aanwezigheid van oxyderende ionen. De 30Mo-Ni-legering wordt gebruikt voor geconcentreerd zoutzuur en zwavelzuur, maar omdat dit type geen chroom bevat, is het ongeschikt indien er oxy.derende stoffen aanwezig zijn. Duplex roestvast staal met optimale chemische samenstelling verschaft een gelijkwaardige en soms hogere weerstand tegen corrosie dan de '20-legeringen', en dat tegen een lagere prijs. Deze tweefasenstaalsoort bezit in het algemeen goede weerstand tegen zuren en chloridehoudende media, waar nog bijkomt de hoge mechanische sterkte (ten opzichte van volledig austenitisch roestvast staal) in combinatie met goede vervormbaarheid en weerstand tegen erosie en abrasie. Sommige duplextypen zijn toepasbaar bij temperaturen tot vrij ver onder nul.
Duplex roestvast staal is eveneens veel beter bestand tegen scheur.vormende spanningscorrosie dan austenitisch roestvast staal. Duplex roestvast staal laat zich makkelijk verspanen en lassen. Dit geldt onverkort ook voor giet-en smeedstukken. De gieteigenschappen van het merendeel van de duplextypen zijn goed en het kost betrekkelijk weinig moeite om gietstukken met hoge dichtheid te vervaardigen. Duplex roestvast staal dat 22% chroom bevat, bezit een hogere weerstand tegen putcorrosie en spleetcorrosie dan roestvast staal van het type 316 vanwege een stabielere passieve laag en het heeft een hogere mechanische sterkte. Voor optimale corrosieweerstand is het echter noodzakelijk om het chroomgehalte op te voeren tot 25%. Deze typen worden wel aangeduid als superduplex roestvast staal. Het is van belang het juiste materiaaltype uit te kiezen, zelfs binnen de superduplexcategorie, voor optimale corrosieweerstand, voor veelzijdigheid in het verwerken van een breed scala corrosieve media en opdat erop kan worden vertrouwd dat de legering opgewassen is tegen afwijkingen in of veranderingen van bedrijfsomstandigheden, die het milieu agressiever maken.
Aan FERRALIUM® 255 superduplex roestvast staal werd 25 jaar geleden voor het eerst met opzet stikstof toegevoegd om de taaiheid en de corrosievastheid te verbeteren. Sindsdien hebben een aantal onderzoeken het belang aan.getoond van het gebruik van stikstofhoudend roestvast staal alsmede een aanzienlijke hoeveelheid koper1,2. Toevoeging van stikstof verzekert goede taaiheid en cor.rosievastheid in aanwezigheid van chloride-ionen, terwijl koper van vitaal belang is voor het veiligstellen van de corrosievastheid in zuren. Tabel 1 toont het gedrag van het 255-superduplextype in vergelijking met dat van het 22% chroomhoudende, laaggelegeerde duplextype 2205 (1.4462 respectievelijk UNS 531803) en austenitisch roestvast-staaltype 316 in een 3% NaCl-oplossing. Het superduplex 255 roestvast staal is zeer goed bestand tegen zuren, waaronder zwavelzuur. 
Tabel 1. Kritische putcorrosietemperatuur in 3% NaCl van een drietal roestvast-staaltypen.
Zwavelzuur vormt in talrijke chemische processen het hoofdbestanddeel en daarom wordt voor die onderdelen die ermee in aanraking komen superduplex roestvast staal gekozen. Afbeelding 1 toont het gedrag van superduplex 255, 316, hoog-nikkel.houdend austenitisch roestvast staal en een ander superduplextype. Legering 255 is ook geschikt voor gebruik in kokend fosforzuur met concentraties tot 60% en bij hogere concentraties tot een temperatuur van ongeveer 110°C. De buitengewone weerstand van deze legering tegen technisch zuiver fosforzuur dat verontreinigingen bevat zoals fluoriden, chloriden en zwavelzuur en dat verder bestand is tegen de schurende werking van vaste gipsdeeltjes maakt dit materiaal geschikt voor pompen, roerders en andere kritische onderdelen. Duur hoog-nikkelhoudend austenitisch roestvast staal en nikkellegeringen konden met succes worden vervangen door het goedkopere superduplex roestvast staal. Ook voor gebruik in salpeterzuur en in zuurmengsels zoals zwavelzuur met salpeterzuur, fosforzuur met salpeterzuur en alpinezuur met salpeterzuur alsmede voor de produktie van tereftaalzuur kan een beroep worden gedaan op superduplex 255 roestvast staal. Verder is de legering zeer bestand tegen azijnzuur, mierezuur en andere organische zuren en zij is in het bijzonder geschikt voor hogere concentraties en temperaturen waarbij putcorrosie een normale schadeoorzaak is bij het merendeel van het conventionele austenitisch roestvast staal in aanwezigheid van haliden en andere verontreinigingen.
De hoge mechanische sterkte van duplex en in het bijzonder van superduplex roestvast staal staat het gebruik toe van dunnere secties voor apparatuur zoals pompen en leidingwerk. Dit betekent dat voor een gegeven apparaat een lager gewicht aan materiaal hoeft te worden ingekocht. Met duplex roestvast staal is een hoge ontwerp.spanning toelaatbaar, tabel 2 geeft hiervan een indruk. De weerstand tegen betrekkelijk hoge stroomsnelheden van duplex roestvast staal kan in sommige gevallen resulteren in kleinere buisafmetingen. 
Afbeelding 1. lso-corrosiediagram van een aantal roestvast-staaltypen in zwavelzuur.
Tabel 2. Toelaatbare ontwerpspanning van een aantal roestvaststaaltypen tot 38°C volgens ASME Sect. VIII.
Duplex roestvast staal wordt in grote hoeveelheden toegepast in rookgasontzwavelingsinstallaties en de legering 255 geeft een succesrijke geschiedenis te zien bij deze en andere apparatuur voor de bestrijding van milieuveront.
Het brede aanbod van produktvormen waarin de legering leverbaar is, het bewerkingsgemak, de goede lasbaarheid en de grote verscheidenheid aan potentieel corrosieve media die kan worden verwerkt, resulteert in haar gebruik voor pompen, afsluiters, roerders, waaiers, centrifuges, filters, zeven, buisleidingen, bevestigingsmateriaal, warmtewisselaars en vaten voor diverse chemische installaties. De legering wordt in grote hoeveelheden gebruikt voor buisleidingen, vaten en oplosmanden voor de fabricage van witte-verfpigment (titaandioxyde). Voor de fabricage van polypropyleen, polyvinylchloride en vezelstoffen is het gebruik van deze legering voor pompen, afsluiters en centrifuges welhaast onontbeerlijk geworden. Ook installaties voor entractie van opgeloste metalen en produktinstallaties van urea profiteren van het gebruik van de legering voor een veelheid aan procesapparatuur. Een laatste loot aan de boom is FERMANEL®. Dit is een 27% chroomhoudende superduplex roestvast-staaltype dat zeer geschikt is als constructiemateriaal voor pompen die worden gebruikt bij de produktie van fosforzuur en voor andere 'zure' toepassingen zowel in Nederland als in Finland.
Conclusies
Standaard austenitisch roestvast staal zoals 316 (dat molybdeen bevat) beschikt over een bruikbare, maar beperkte, weerstand tegen zuren en een redelijke weerstand tegen putcorrosie. Het type 304 is goed bestand tegen salpeterzuur. De mechanische sterkte van austenitisch roestvast staal is betrekkelijk laag, de weerstand tegen abrasie en corrosie is zwak en het is niet bestand tegen scheurvormende spanningscorrosie. Hoog-nikkelhoudend super austenitisch roestvast staal ('alloy 20'-type) is duurder dan standaard austenitisch roestvast staal maar bezit dan ook uitstekende weerstand tegen zuren en enkele chloridezuren. Duplex roestvast staal paart hoge sterkte aan weerstand tegen abrasie/erosie en scheurvormende spanningscorrosie. Hooggelegeerd duplex roestvast staal met 25% chroom zoals FERRALIUM® 255 bezit uitstekende weerstand tegen putcorrosie en spleetcorrosie en goede weerstand tegen zuren. De prijs van deze roestvast-staalsoort ligt tussen die van 316 en die van legering 20. Nikkellegeringen munten uit in corrosieweerstand in reducerende zuren, zuurmengsels en in zuren bij verhoogde temperatuur, maar hun hoge prijs vormt een nadeel. De corrosieweerstand van de te gebruiken produktvorm moet vooraf worden onderzocht en men moet zich rekenschap geven van de gietbaarheid, lasbaarbeid en verspaanbaarbeid van de gekozen legering.
Literatuur
1. J.P. Simpson; Corrosion Behaviour of Cast Duplex Stainless Steels in Sulphuric Acid Containing Chloride; Conf. Duplex Steel 86, The Hague 1986.
2. P. Guha, C.A. Clark; Properties and Application of High Chromium Duplex Steels; ASM Conference on Duplex Steels, St. Louis 1983.
FERRALIUM 255 en FERMANEL zijn geregistreerde handelsmerken van Langley Alloys Ltd.
HASTELLOY C-276 is een geregistreerd handelsmerk van Haynes
International Inc .
INCOLOY 825 is een geregistreerd handelsmerk van de !NCO family of products.
Carpenter 20 Cb-3 is een geregistreerd handelsmerk van Carpenter Technology Corporation.