Выбор материалов для сосудов под давлением в гидрометаллургии
Выбор материала сосуда под давлением в гидрометаллургии определяется четырьмя параметрами в фиксированном порядке: максимальный хлорид на смачиваемой поверхности, максимальная температура металла, свободная кислота и окислительный потенциал. Для медного продуктивного раствора (PLS) при 45 °C с 10 г/л H2SO4 и хлоридом ниже 200 мг/л правильное решение по умолчанию — 316L с прибавкой 3 мм. При 420 мг/л и 80 °C тот же выбор даёт сквозной питтинг в зоне термического влияния шва за 14–18 месяцев.
Ключевые выводы
- Хлорид и температура задают семейство сплавов; кислота и окислители лишь смещают марку внутри него.
- Проектировать нужно по пиковому хлориду и пиковой температуре, а не по среднегодовым значениям.
- Прибавка на коррозию — расчётная величина: скорость × срок службы × коэффициент запаса; обычно 3 мм.
- Плакирование переносит давление на углеродистую сталь, а коррозию — на тонкий слой сплава: минус 40–60 % стоимости листа.
- Переход на более стойкий сплав стоит 1.5–9× цены листа и добавляет 4–20 недель: сначала испытания, потом заказ.
Что решает выбор материала
Это не поиск самого стойкого сплава, а экономическая оптимизация при ограничении норм: сплав, выдерживающий химию весь срок службы; прибавка, покрывающая разницу между его скоростью коррозии и нулём; вид полуфабриката и толщина, допустимые кодом при расчётной температуре; и технология изготовления, которую реально можно закупить.
расчёт толщины стенки сосуда под давлением
Прибавка на коррозию — жертвенная толщина, добавляемая к расчётной и расходуемая за срок службы, после чего сосуд переаттестуют или заменяют. Это не запас по давлению, а бюджет потери металла. PREN (%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N) — индекс отсева, не расчётная величина: два сплава с одинаковым PREN ведут себя по-разному в зазоре, и индекс ничего не говорит о восстановительных кислотах и коррозионном растрескивании. Плакирование — металлургически связанный слой 3–5 мм на углеродистом листе; это не краска и не свободная футеровка, поскольку связь относится к границе давления и проверяется ультразвуком.
Четыре параметра процесса
Хлорид. Важна концентрация в худший час года, а не среднегодовая. В засушливых районах растворы концентрируются испарением: 150 мг/л в рафинате могут дать 600 мг/л в подсыхающей линии, а уплотнительная поверхность при 200 мг/л в объёме локально может быть при тысячах мг/л.
Температура. Максимум обычно не из схемы, а от пропарки, экзотермического выброса или останова с контактом стенки с паром. Аустенитные стали теряют стойкость к питтингу выше примерно 60 °C, а хлоридное растрескивание под напряжением реально выше 60–70 °C.
Кислота и окислитель. 10–50 г/л H2SO4 — умеренная общая коррозия для 316L и мягкая для 904L; важнее всего в паре с хлоридом, поскольку вместе они переводят сплав из пассивного состояния в активное. Раствор с 2 г/л Fe3+ при 70 °C — иная задача, чем тот же с 0.1 г/л, и в спецификации по хлориду это не видно.
Таблица 1 — Ориентировочные границы в аэрированной разбавленной H2SO4 (значения для отсева)
| Сплав | UNS | PREN | Cl– 60 °C | Cl– 90 °C | Макс. T | Цена листа (316L=1) | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Сталь + гуммирование | — | н/д | Не ограничен при целой футеровке | Не ограничен | 70 °C | 0.35 | Баки PLS, желоба |
| 316L | S31603 | 24–26 | ~200 мг/л | ~50 мг/л | 60 °C | 1.0 | Разбавленная кислота, внутренние устройства SX |
| 317L | S31703 | 29–30 | ~500 мг/л | ~150 мг/л | 70 °C | 1.3 | Запас относительно 316L |
| 904L | N08904 | 33–35 | ~1,000 мг/л | ~400 мг/л | 90 °C | 2.4 | PLS с высоким хлоридом |
| Дуплекс 2205 | S32205 | 34–36 | ~1,000 мг/л | ~500 мг/л | 90 °C | 1.5 | Хлорид с эрозией |
| Супердуплекс 2507 | S32750 | 40–43 | ~3,000 мг/л | ~1,500 мг/л | 110 °C | 2.8 | Флеш, охлаждение морской водой |
| Сплав 20 | N08020 | 29–33 | ~5,000 мг/л | ~2,000 мг/л | 100 °C | 3.5 | H2SO4 с хлоридами без окислителя |
| Титан Gr 2 | R50400 | н/д | Отлично в окислительной среде | Отлично | 200 °C | 5.0 | Окислительный хлорид, ванны EW |
| Титан Gr 12 | R53400 | н/д | Хорошо, устойчивее к восстановлению | Хорошо | 250 °C | 5.6 | Внутренние устройства POX |
| Hastelloy C-276 | N10276 | 65–70 | Очень высокий | Очень высокий | 300 °C | 9.0 | Жёсткий хлорид с восстановительной кислотой |
Два предупреждения: титан почти иммунен в окислительном хлориде, но быстро корродирует в восстановительной кислоте без пассивной плёнки; сплав 20 отличен в H2SO4, но не является сплавом для горячего хлорида — его PREN не выше, чем у 317L.
Как считается прибавка на коррозию
Её рассчитывают, а не согласовывают: измеренная скорость по опыту эксплуатации или по испытанию в реальном растворе × срок службы × коэффициент. Коэффициент 1.5–2.0 нормален для хорошо изученной задачи; если скорость получена в коротком испытании на синтетическом растворе, он должен быть выше, а прибавку нужно дополнить первым осмотром через 12–18 месяцев.
Таблица 2 — Прибавка по условиям работы и интервал осмотра
| Условия | Измеренная скорость | Срок | Прибавка | 1-й осмотр |
|---|---|---|---|---|
| H2SO4 разб., <100 мг/л Cl, 40–50 °C, 316L | 0.03–0.08 мм/год | 20 лет | 3 мм | 24 мес. |
| H2SO4 разб., 300–500 мг/л Cl, 60–70 °C, 2205 | 0.01–0.03 мм/год | 20 лет | 3 мм | 24 мес. |
| PLS с высоким хлоридом, 904L | 0.02–0.05 мм/год | 15 лет | 3 мм | 12 мес. |
| Автоклав POX, плакирование Ti Gr 12 | <0.01 мм/год | 20 лет | 0 (3 мм плакирование) | 12 мес. |
| Углеродистая сталь, нейтральная пульпа | 0.1–0.3 мм/год | 15 лет | 6 мм | 12 мес. |
Пример: бак 316L при 48 °C, 12 г/л H2SO4, 180 мг/л хлорида; образцы и ультразвук дают 0.06 мм/год без измеримого питтинга. 0.06 × 20 = 1.2 мм; с коэффициентом 1.8 — 2.2 мм, что округляется до применяемых 3 мм. Если хлорид вырастает до 420 мг/л, общая скорость почти не меняется, но риск питтинга растёт на марку: правильный ответ — не 5 мм, поскольку лишняя толщина не остановит питтинг, проходящий 8 мм за год, а переход на 2205 с сохранением 3 мм. Вывод: прибавка покупает время против общей потери и почти ничего — против локальной.
Код, изготовление и отказы
Код не выбирает сплав, но ограничивает ответ в четырёх местах: допускаемое напряжение, падающее с температурой; разрешённые спецификации, где идентичный аналог может потребовать code case; требования к испытанию на удар, различающиеся между ASME VIII, EN 13445 и GB/T 150; и правила плакирования, определяющие аттестацию технологии и объём ультразвука. Одна и та же задача в Div 1 и Div 2 различается на 15–25 % по толщине и на 8–15 % по стоимости монтажа.
Калькулятор площади отстойника и объёма смесителя
Большинство отказов зарождается в изготовлении: питтинг в зоне термического влияния раньше 18 месяцев из-за сенсибилизации и цвета побежалости; коррозия в зазоре под подушками и прокладками; эрозионная коррозия при скорости выше 3–4 м/с в кислой пульпе; растрескивание под напряжением в изолированном 316L выше 60 °C; гальваническое поражение в паре с углеродистой сталью; и наводороживание титана с охрупчиванием выше 150 ppm.
Таблица 3 — Надбавки по стоимости и срокам (316L = 1.0)
| Сплав | Лист | Изготовление | Смонтированный сосуд | Срок, недели |
|---|---|---|---|---|
| Сталь + гуммирование | 0.35 | 1.1 | 0.5 | 10–14 |
| 316L | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 12–16 |
| Дуплекс 2205 | 1.5 | 1.4 | 1.45 | 16–22 |
| 904L | 2.4 | 1.9 | 2.2 | 20–28 |
| Титан Gr 2 | 5.0 | 3.0 | 4.2 | 24–36 |
| Hastelloy C-276 | 9.0 | 4.0 | 7.0 | 30–40 |
Для обечайки диаметром 3.0 м и длиной 6 м каждый миллиметр — около 0.44 т: 20 мм из 316L при 4,000 USD/т стоят 36,000 USD, те же 20 мм из 2205 при 6,000 USD/т — 53,000 USD. Разница по монтажу около 25,000 USD на сосуде стоимостью установки 150,000 USD против отказа, который обошёлся бы в 400,000 USD. Практические данные: 0.04–0.06 мм/год для 316L в PLS с низким хлоридом и 0.015–0.02 мм/год для 2205 при 400 мг/л — оба привязаны к площадке и служат отправной точкой для испытаний.
Часто задаваемые вопросы
Подходит ли 316L для электролита медного SX-EW?
Как правило да, для самого электролита, бедного хлоридом и богатого кислотой, если температура ниже 55 °C, а хлорид ниже 200 мг/л. Риск сосредоточен в зазорах, на уплотнительных поверхностях и в паровом пространстве, а также в швах без удаления цветов побежалости.
При каком хлориде нужен дуплекс 2205?
Как правило отсева: 316L уверенно работает ниже 200 мг/л при 60 °C, а 2205 — ниже 1,000 мг/л при той же температуре. В диапазоне 200–500 мг/л решение зависит от температуры, окислителя и геометрии зазора и принимается по испытанию критической температуры питтинга в реальном растворе.
Если список сплавов ещё открыт, а данные по хлориду неопределённы, пришлите анализ раствора и расчётную область — вернём сплав, прибавку и интервал осмотра. Подходы к подбору оборудования — в базе технических знаний, определения — в техническом глоссарии, отраслевой контекст — в разделе медная гидрометаллургия.