Стандартная практика NACE SP0391 содержит подробную информацию о материалах конструкций, используемых для хранения и обработки концентрированной серной кислоты при комнатной температуре. Этот стандарт также касается некоторых инженерно-технических методов, обеспечивающих бесперебойную эксплуатацию.

В данной статье мы опишем поведение сталей при взаимодействии с концентрированной серной кислотой

Углеродистые стали

Холодная концентрированная серная кислота (H2SO4) оказывает лишь незначительное коррозионное воздействие на сталь и чугун из-за быстрого образования пленки сульфата железа (FeSO4). Однако даже умеренные скорости потока (> 0,6 м/с;> 2 фут/с) или утечка жидкости могут привести к удалению защитной пленки и началу коррозионного процесса. Разбавление также приводит к растворению FeSO4. Повышенные температуры выше 40° C (105° F), также разрушают пленку и становятся причиной образования коррозии. В случае возникновения любого из вышеперечисленных условий, сплавы с более высоким содержанием легирующих элементов заменяются. Кроме того, использование углеродистой стали может быть ограничено спецификацией железа в продукционной кислоте.

Чугун

Серый чугун устойчивее к более высоким скоростям (примерно до 1,8 м/с, 6 футов/с), чем сталь, благодаря эффекту запирания пластинок графита и образованию пленки сульфата железа. Магниевый чугун (кованый чугун) менее эффективен в данных условиях. Аустенитные виды чугуна с высоким содержанием никеля также не отличаются устойчивостью, однако 14% кремниевый чугун обладает превосходной стойкостью до 100% кислоты в точке кипения при скорости коррозии менее 0,12 мм/год (5 милов в год) в диапазоне концентраций. Стойкость высококремнистого чугуна обусловлена образованием пленки из двуокиси кремния, которая тем не менее уязвима перед свободным SO3.

Нержавеющая сталь

Хотя мартенситные и ферритные нержавеющие стали не применяются для работы с серной кислотой, обычные аустенитные марки достаточно устойчивы к сильной H2SO4. Так, сопловые встави, трубопроводы, изготовленные из этих марок, используются в случае, когда условия потока делают углеродистую сталь непригодной. Сопротивление 18-8 марок стали может быть улучшено анодной защитой. Марки стали 304 ,304L, 316, 316L и молибденсодержащие марки, как правило, устойчивы к воздействию сильной серной кислоты при температуре окружающей среды и, в отличие от углеродистой стали и чугуна, невосприимчивы к эрозионной коррозии. Коррозионная стойкость этих марок выдерживает скорость до 6 м/с (20 фут/с) при условии отсутствия абразивных частиц (хотя ограничения по стандартной конструкции будуд иметь ограниечение до 2-3 м/с [6,5-10 фут/с]).

В горячей кислоте выше примерно 93% незащищенная марка стали 316 несколько менее устойчива в сравнении с 304 из-за легкости окисления молибденового компонента. В таблице 2 приведены типичные скорости коррозии в 99%-ной серной кислоте при температуре 105-115° C (220-240 ° F) в среде абсорбционной колонны. При скоростях потока 1,5 м/с (5 футов/с) и более скорость коррозии для макри 316 увеличивается более чем в 7 раз по сравнению с молибденовой маркой 304. Стандартный сплав 316, CF8M (S92900) подходит для изготовления отсекающих клапанов.

Высококремнистая аустенитная нержавеющая сталь UNS S30600, содержащая 4% Si, была первоначально разработана для использования в концентрированной азотной кислоте. В последующем для использования в концентрированной серной кислоте были созданы сплавы со следующим процентным содержанием элементов: 18% Cr, 16% Ni, 5-6% Si. Сплавы с номинальным содержанием 5% Si, такие как UNS S30601 и S32615 и сплав 6% Si UNS S38815, используются в горячей концентрированной кислоте. По свойствам они не уступают нержавеющей стали 300-й серии с анодной защитой, применяемой при изготовлении колонн, охладителей и трубопроводов.

Анодная защита от коррозии

Анодная защита эффективна для марок 304, 316 и других нержавеющих сталей. Она позволяет расширить температурный диапазон применения во всех растворах сильных кислот. Данная защита гарантирует стабильное, пассивное состоянии, устойчивость к коррозии при различных температурах и концентрациях кислоты. Требования к электротоку для применения анодной защиты возрастают с уменьшением концентрации кислоты или повышением ее температуры.

В лабораторных испытаниях скорость 0,75 мм/год (29 м/д) для свободной коррозии марки 316 в 93% кислоте (плюс 4 ч/млн железа и 800 ч/млн SO2) при 70° C (158° F) была снижена до менее 0,05 мм/год (2 милов в год) благодаря анодной защите. При 100° C (212° F) скорость коррозии снижается с 5 мм/год (200 м/д) до менее чем 0,05 мм/год (2 милов в год). Трубчатые охладители и термочехлы из марки 316L как правило имеют анодную защиту. Предельная температура для незащищенных охладителей составляет около 75° C (167° F), в то время как охладители с анодной защитой используются до 125° C (257° F)

Специальные нержавеющие стали

Специальные сплавы подразделяются на литейные и деформируемые. Изначально они были предназначены для работы с концентрированной кислотой, загрязненной нитратами или сульфидами. Помимо этого данные сплавы отличаются улучшенной стойкостью при повышенных температурах и / или в случае эрозионной коррозии или истирания.

Один из исходных сплавов этого типа был обозначен как Alloy 20. На сегодняшний день существует целый ряд его вариаций, таких как Аlloy 20Cb-3 (N08020). Данные сплавы используются в концентрированной серной кислоте, прежде всего, благодаря устойчивости к скорости или вихревому движению. Литой состав CN7M (N08807), стойкий к вихревым потокам и эрозиям, используется для изготовления дроссельных клапанов и насосов. Аlloy 825 (N08825), стабилизированный титаном, имеет практически такое же сопротивлениев концентрированной кислоте, как Alloy 20. Стоит также упомянуть Alloy 904L (N08904), выдерживащий воздействие концентрированной серной кислоты при температурах до 50° C (122° F). Существует ряд дуплексных марок, таких как 7-Mo Plus (S32950) и Alloy 255 (S32550), устойчивых к концентрированной серной кислоте, например, стабильность в 98% кислоте при температуре до 150° C (300° F). Дуплексные славы, такие как CD4MCu (J93370), также демонстрируют высокую стойкость к вихревым потокам концентрированной кислоты.

Никель и никелевые сплавы

Большинство сплавов с высоким содержанием никеля (например, сплавы серии 200, 400 и 500), не подходят для работы с серной кислотой. Сплав на основе никеля с наилучшим сопротивлением — Alloy B-2 (N10665) и его производные. Данный тип сплава устойчив к 70% кислоте до точки кипения при атмосферном давлении и 99 +% H2SO4 до примерно 120° C (250° F) в отсутствие окислителей. Однако из-за отсутсвия хрома в составе марок, кислота должна быть очищенного сорта, «бесцветной, как вода» или «электролизной», поскольку следы загрязнения ионами трехвалентного железа или азотной кислотой, образующиеся при олкислении сырья кислородом, могут навредить изделию. Марки Ni-Cr-Mo, основанные на исходном Alloy C и типизированные по марке C-276 (N10276), устойчивы к температуре 90° C (195° F) в диапазоне 93-98% (с содержанием хлора <40 ч/млн) и меньшим концентрациям выше 70% до 50° С (120° F).

Прочие металлы

Титан, цирконий и сплавы из этих металлов не устойчивы к концентрированной кислоте. При отсутствии загрязнения фтором тантал обладает достаточной стойкостью к данной среде. Однако он изначально, подвержен высокой скорости коррозии и склонен к поглощению водорода с сопутствующим охрупчиванием. Ниобий устойчив к концентрированной кислоте в окислительной среде, например при наличии окисляющих ионов. Он также стабилен при любых концентрациях до 95% в условиях комнатной температуры, при этом возможно охрупчивание.