Hastelloy C2000 vs C276: السبائك العالمية المقاومة للتآكل -البيئات الحمضية المختلطة

هاستيلوي C2000(UNS N10200، 23Cr-16Mo-1.6Cu) تم تطويره خصيصًا للتغلب على قيود C276 (UNS N10276، 15Cr-16Mo-4W) في البيئات الحمضية المختلطة المؤكسدة المختزلة. يوفر C2000 مقاومة فائقة في حمض الكبريتيك (خاصة 10-60 بالمائة عند 50-100 درجة مئوية)، وحمض النيتريك، والكلور الرطب، وتيارات الأحماض المختلطة، بينما يظل C276 هو الخيار المفضل في الأحماض المختزلة النقية (HCl أي تركيز، وتخفيف H2SO4 أقل من 10 بالمائة) نظرًا لارتفاع محتواه من Mo وW. يحمل C2000 علاوة تكلفة بنسبة 15-25 بالمائة تقريبًا مقارنة بـ C276 ولكنه يلغي الحاجة إلى ترقيات السبائك في خدمة الأحماض المختلطة، مما يقلل إجمالي تكلفة المشروع بنسبة 20-40 بالمائة في تلك التطبيقات.

ما الذي يجعل C2000 مختلفًا عن C276؟

تم تصميم C2000 باعتباره سبيكة النيكل "العالمية" عن طريق إضافة 1.0-1.6 بالمائة من النحاس إلى قاعدة Cr-Mo (23Cr-16Mo) التي توفر مقاومة متزامنة لكل من البيئات المؤكسدة والمختزلة، في حين أن محتوى الكروم المنخفض لـ C276 (15 بالمائة) ونقص النحاس يجعله يتفوق فقط في بيئات الاختزال ولكنه يعاني في تيارات الأكسدة أو الأحماض المختلطة.

قامت Haynes International بتطوير C2000 في التسعينيات خصيصًا لمعالجة القيود الحرجة لـ C276: أدائها الضعيف في البيئات الحمضية المؤكسدة. لا يمكن لـ C276 الذي يحتوي على 14.5-16.5 بالمائة من الكروم أن يشكل طبقة سلبية مستقرة في الوسائط المؤكسدة بقوة مثل حمض النيتريك (HNO3) أو في تيارات الحمض المختلطة حيث تتعايش الأنواع المؤكسدة والمختزلة.

كان الحل هو زيادة الكروم إلى 22-24 بالمئة (مشابه لمستوى 625) وإضافة 1.0-1.6 بالمئة نحاس، مما يحسن بشكل كبير مقاومة حمض الكبريتيك والوسائط المختلطة المؤكسدة المختزلة. لا يحتوي C2000 أيضًا على تنجستين (على عكس C276 بنسبة 3-4.5 بالمائة واط)، مما يقلل من تكلفته ويبسط بنيته الدقيقة ولكنه أيضًا يقلل بشكل طفيف من أدائه في حالات الحد من الحمض النقي. تعمل إضافة النحاس في C2000 من خلال آليتين: (1) تزيد من إمكانات السبيكة في حامض الكبريتيك، وتحولها إلى المنطقة السلبية بتركيزات حمض أقل؛ و (2) يشكل أغشية كبريتيد النحاس التي تقاوم الهجوم في البيئات الحمضية المختلطة. والنتيجة هي سبيكة وصفها هاينز بأنها "أكثر سبائك النيكل المطاوع المتوفرة عالميًا مقاومة للتآكل"، في حين يظل C276 هو المعيار لأحماض الاختزال النقية والخدمة الحامضية الأكثر خطورة.

المصدر: النشرة الفنية لـ Haynes International C2000 H-2014؛ C276 النشرة الفنية H-2002؛ ورقة مقدمة في CORROSION 2000، NACE.

ما هي الاختلافات الكيميائية بين C2000 وC276؟

يحتوي C2000 على كروم أعلى بكثير (22-24 بالمائة مقابل 14.5-16.5 بالمائة) وموليبدينوم أعلى قليلاً (15-17 بالمائة مقابل 15-17 بالمائة) من C276، بالإضافة إلى إضافة النحاس الهامة بنسبة 1.0-1.6 بالمائة، بينما يحتوي C276 على 3-4.5 بالمائة تنجستن لا يحتوي عليه C2000، مما يجعل C2000 مُحسّنًا للوسائط المؤكسدة و تم تحسين C276 لتقليل الوسائط.

تكشف المقارنة الكيميائية بين C2000 وC276 عن المفاضلة الأساسية-بين الأكسدة وتقليل مقاومة الأحماض. الكروم هو عنصر التخميل الأساسي: نسبة الكروم التي تبلغ 22-24 بالمائة في C2000 أعلى بنسبة 50 بالمائة من نسبة الكروم التي تبلغ 14.5 إلى 16.5 بالمائة في C276، وهذه الكروم الأعلى هي ما يمكّن C2000 من الحفاظ على طبقة خاملة مستقرة في الوسائط المؤكسدة مثل حمض النيتريك وكلوريد الحديديك. محتوى الموليبدينوم متشابه في كلا السبائك (15-17 بالمائة)، مما يوفر مقاومة ممتازة لتنقر الكلوريد وتآكل الشقوق في كلتا الحالتين.

عنصر التمييز الحاسم هو النحاس: تعد إضافة النحاس بنسبة 1.0-1.6 بالمائة في C2000 بمثابة الابتكار الرئيسي الذي يعمل على تحسين الأداء في تيارات حمض الكبريتيك والأحماض المختلطة. يوفر التنغستن C276 (3-4.5 بالمائة) مقاومة إضافية للتنقر في بيئات الاختزال النقية ولكنه غير موجود في C2000. الكربون منخفض للغاية-في كلتا السبيكتين (0.010 كحد أقصى لـ C276، و0.015 كحد أقصى لـ C2000)، مما يمنع التحسس أثناء اللحام. لا تحتوي كلا السبائك على إضافات النيوبيوم أو التيتانيوم، مما يحافظ على البنية المجهرية الأوستنيتي بالكامل ومحلول صلب أحادي الطور.

الجدول 1. مقارنة التركيب الكيميائي (ASTM B575 / مواصفات هاينز)

المصدر: ASTM B575-24؛ هاينز إنترناشيونال H-2002 (C276) وH-2014 (C2000)؛ سجل UNS N10200 وN10276.

كيف يمكن مقارنة الخواص الميكانيكية وحدود درجة الحرارة؟

تتمتع C2000 وC276 بخصائص ميكانيكية متشابهة جدًا في درجة حرارة الغرفة-(الإنتاجية 283-310 ميجا باسكال، والشد 690-760 ميجا باسكال، والاستطالة 40-45 بالمائة)، ولكن تحتوي C2000 على محتوى كروم أعلى قليلاً مما يجعلها أكثر عرضة للتقصف فوق 400 درجة مئوية في الأجواء المحتوية على الكبريت، بينما تشترك السبائك في الحد الأقصى من الخدمة المماثلة درجات الحرارة في الهواء النظيف.

يعتبر كل من C2000 وC276 عبارة عن محلول-سبائك نيكل أوستنيتي ملدنة ذات خواص ميكانيكية مماثلة في درجة حرارة الغرفة. تقع قوة الخضوع (إزاحة 0.2 بالمائة) لكلا السبيكتين في نطاق 283-310 ميجا باسكال للوحة والصفائح في حالة التلدين - بالمحلول. قوة الشد هي 690-760 ميجا باسكال لكليهما. تعتبر الاستطالة ممتازة بنسبة 40-45 بالمائة لكلا السبيكتين، مما يعكس بنيتها المجهرية الأوستنيتي أحادية الطور.

الصلابة متشابهة عند 85-95 HRB لكليهما. يظهر الاختلاف الرئيسي عند درجات الحرارة المرتفعة: يكون C2000 بمحتواه الأعلى من الكروم (22-24 بالمائة) أكثر عرضة لهجوم الكبريت ذو درجة الحرارة المرتفعة في تقليل الأجواء المحتوية على الكبريت، مع حد أقصى موصى به يبلغ 400 درجة مئوية في الخدمة المحتوية على كبريتيد الهيدروجين مقارنة بـ 450 درجة مئوية لـ C276.

في الهواء النظيف، تتمتع كلتا السبيكتين بدرجات حرارة خدمة قصوى مماثلة تبلغ حوالي 1040 درجة مئوية. مقاومة التعب متشابهة لكلا السبيكتين، وكلاهما يتمتع بصلابة تأثير ممتازة عند درجات حرارة مبردة تصل إلى -196 درجة مئوية. ولا يمكن تصلب أي من السبيكتين بالترسيب-، لذلك لا يمكن زيادة القوة من خلال المعالجة الحرارية بما يتجاوز حالة التلدين بالمحلول.

الجدول 2. مقارنة الخواص الميكانيكية (المحلول الصلب، درجة حرارة الغرفة)

المصدر: ASTM B575-24؛ أوراق بيانات Haynes International H-2002 وH-2014؛ ASME BPVC القسم الثاني الجزء د (2023).

كيف يعمل C2000 وC276 في حمض الكبريتيك؟

يتفوق أداء C2000 بشكل كبير على C276 في حمض الكبريتيك عبر نطاق التركيز بأكمله من 10 إلى 96 بالمائة، مع معدلات تآكل أقل عادةً بمقدار 3 إلى 10 مرات في النطاق الحرج الذي يتراوح بين 10 إلى 60 بالمائة حيث تعمل معظم معدات معالجة H2SO4.

حمض الكبريتيك هو الحمض الصناعي الأكثر شيوعًا وأهم تطبيق لـ C2000 على C276. السبب يكمن في سلوك الاستقطاب الأنودي لكل سبيكة في H2SO4. عند التركيزات المنخفضة إلى المعتدلة (10-60 بالمائة H2SO4) ودرجات حرارة تتراوح بين 50-100 درجة مئوية، يظل C276 مع محتواه العالي من Mo وغياب النحاس في منطقة التآكل النشط بمعدل تآكل مرتفع نسبيًا. ينتقل C2000 مع إضافة النحاس إلى المنطقة السلبية في هذه الظروف، مما يقلل بشكل كبير من معدل التآكل.

تظهر بيانات التآكل متساوي الحرارة من Haynes International (H-2014) أنه في 10 بالمائة من H2SO4 عند 80 درجة مئوية، يتآكل C2000 عند 0.01-0.05 مم/عام بينما يتآكل C276 عند 0.05-0.15 مم/عام. في 50 بالمائة من H2SO4 عند 80 درجة مئوية، يتآكل C2000 عند 0.02-0.08 مم/عام بينما يتآكل C276 عند 0.20-0.50 مم/عام. في 96 بالمائة (مدخن) من H2SO4 عند 100 درجة مئوية، يكون أداء كلا السبيكتين جيدًا (أقل من 0.05 مم/عام) لكن C2000 يحتفظ بميزة طفيفة. وهذا يجعل C2000 الخيار المفضل لملفات تبريد حمض الكبريتيك، وأبراج الامتصاص، ومكثفات الأحماض، وخطوط المخلل في جميع أنحاء صناعة المعالجة الكيميائية.

الجدول 3. معدلات التآكل في حامض الكبريتيك (مم في السنة)

المصدر: بيانات التآكل متساوي الحرارة من Haynes International H-2002 وH-2014؛ ASTM G28 الطريقة أ؛ تجربة مصنع الكيماويات المجمعة 1995-2020.

كيف يمكن مقارنة C2000 وC276 في حمض الهيدروكلوريك؟

يعتبر C276 هو الخيار المفضل لجميع تركيزات حمض الهيدروكلوريك في جميع درجات الحرارة لأن محتواه العالي من Mo وW يوفر مقاومة فائقة لآلية التآكل النشطة لحمض الهيدروكلوريك، بينما يعمل C2000 بشكل مناسب في حمض الهيدروكلوريك المخفف (أقل من 5 بالمائة) ولكن لا يوصى به لحمض الهيدروكلوريك المركز في درجات حرارة مرتفعة.

حمض الهيدروكلوريك (HCl) هو حمض الاختزال الأكثر عدوانية لسبائك النيكل لأن أيونات الكلوريد تهاجم بقوة الفيلم السلبي، وMo هو الدفاع الأساسي. يحتوي كل من C276 وC2000 على نفس محتوى Mo (15-17 بالمائة)، لكن C276 لديه آلية دفاع إضافية على شكل W (3-4.5 بالمائة)، مما يساهم في تخميل حمض الهيدروكلوريك. لا يحتوي C2000 على W ومحتوى أعلى من الكروم، وهو ما لا يساعد في البيئة شديدة التخفيض لحمض الهيدروكلوريك.

عند غليان 1% من حمض الهيدروكلوريك، يتآكل C2000 عند 0.05-0.15 مم/عام، مشابهًا لـ C276 الذي يتراوح بين 0.03-0.10 مم/عام. في غليان 5% من حمض الهيدروكلوريك، يتآكل C2000 عند 0.20-0.50 مم/عام بينما يكون C276 0.50-1.00 مم/عام (C276 أسوأ قليلًا عند هذا التركيز نظرًا لأن ارتفاع الكروم في C276 لا يساعد). في 10 بالمائة من حمض الهيدروكلوريك عند 80 درجة مئوية، يتآكل C2000 عند 0.10-0.30 مم/عام بينما يتآكل C276 عند 0.20-0.50 مم/عام (C2000 أفضل هنا بالفعل بسبب إضافة النحاس إليه).

ومع ذلك، في حمض الهيدروكلوريك المركز (20-37 بالمائة) عند درجات حرارة مرتفعة، يكون C276 مع إضافة W وفعالية Mo أعلى هو الاختيار القياسي، ولا يوصى باستخدام C2000. بالنسبة لخدمة حمض الهيدروكلوريك، فإن إرشادات الصناعة القياسية هي: حمض الهيدروكلوريك البارد المخفف (أقل من 5 بالمائة، أقل من 50 درجة مئوية) تكون أي من السبيكتين مقبولة؛ حمض الهيدروكلوريك المعتدل (5-15 بالمائة، 50-80 درجة مئوية) ويفضل C276؛ مطلوب حمض الهيدروكلوريك المركز (أكبر من 20 بالمائة، في أي درجة حرارة أعلى من الغرفة) C276.

الجدول 4. معدلات التآكل في حمض الهيدروكلوريك (مم في السنة)

المصدر: Haynes International H-2002 وH-2014؛ دليل ASM المجلد . 13A التآكل (2003)؛ البيانات الميدانية لمصانع الكيماويات.

كيف يمكن مقارنتها في بيئات حمض النيتريك والأحماض المختلطة؟

يتفوق C2000 الذي يحتوي على 22-24 في المائة من الكروم بشكل ملحوظ على C276 في حمض النيتريك وهو الخيار الواضح للبيئات الحمضية المختلطة حيث تتعايش الأنواع المؤكسدة والمختزلة، في حين أن أداء C276 ضعيف في HNO3 ولا ينبغي تحديده لتيارات الأحماض المختلطة.

حمض النيتريك (HNO3) هو حمض مؤكسد بقوة، والكروم هو عنصر التخميل الأساسي. يشكل C2000 الذي يحتوي على 22-24 بالمائة من الكروم طبقة سلبية أكثر ثباتًا في HNO3 مقارنة بـ C276 الذي يحتوي على 14.5-16.5 بالمائة فقط من الكروم. عند غليان 65% من HNO3، يتآكل C2000 عند 0.10-0.30 مم/عام بينما يتآكل C276 عند 0.50-1.00 مم/عام. يعد هذا الاختلاف أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للعمليات التي تتضمن تيارات حمضية مختلطة، والتي تعد من بين بيئات التآكل الأكثر تحديًا في الصناعة الكيميائية. تحتوي البيئات الحمضية المختلطة (مثل مخاليط HF-HNO3 المستخدمة في تخليل الفولاذ المقاوم للصدأ، أو مخاليط H2SO4-HNO3 في إنتاج الأسمدة) على كل من الأنواع المؤكسدة والمختزلة في وقت واحد.

يتم في الواقع مهاجمة C276 الذي يتفوق في تقليل البيئات بقوة في ظروف الأكسدة لأن محتواه من الكروم غير كافٍ للحفاظ على فيلم سلبي. يتعامل C2000 مع إضافات الكروم والنحاس الأعلى مع هذه البيئات المختلطة بأمان. في الماء الملكي (3HCl-1HNO3)، يتآكل C2000 عند 0.10-0.30 مم/عام عند درجة حرارة الغرفة بينما يتآكل C276 عند 0.50-1.50 مم/عام. في محاليل التخليل المختلطة HF-HNO3 عند 60 درجة مئوية، يتآكل C2000 عند 0.05-0.15 مم/عام بينما يتآكل C276 عند 0.50-1.00 مم/عام. هذه الاختلافات تجعل C2000 الاختيار القياسي لمعدات التخليل، ومفاعلات الأحماض المختلطة، ووحدات معالجة مصنع الأسمدة.

الجدول 5. معدلات التآكل في بيئات حمض النيتريك والأحماض المختلطة

المصدر: هاينز H-2002 وH-2014؛ ASTM G28 الطريقة أ؛ دليل التخليل والمعالجة السطحية؛ دليل مواد صناعة الأسمدة.

كيف يمكن مقارنتها في الخدمة الحامضة (H2S + كلوريد) لكل NACE MR0175؟

تمت الموافقة على كل من C276 وC2000 بموجب NACE MR0175/ISO 15156 للخدمة الحامضية، وكلاهما يعمل بشكل ممتاز في البيئات الحامضية الشديدة، ولكن C276 هو الخيار الأكثر تحفظًا للظروف الأكثر قسوة (وجود حمض الهيدروكلوريك، والضغط الجزئي العالي جدًا لكبريتيد الهيدروجين فوق 1 ميجا باسكال) بينما يعتبر C2000 ممتازًا للبيئات الحامضية التي لا تحتوي على حمض الهيدروكلوريك.

تشير الخدمة الحامضة إلى بيئات النفط والغاز التي تحتوي على كبريتيد الهيدروجين المذاب في الماء المنتج، والذي يمكن أن يسبب تكسير إجهاد الكبريتيد (SSC)، والتكسير الناجم عن الهيدروجين (HIC) -، والتكسير الناتج عن الإجهاد -HIC (SOHIC) في السبائك الحساسة. تم إدراج كل من C276 وC2000 في NACE MR0175/ISO 15156 باعتبارهما مقبولين للخدمة الحامضة في حالة التلدين -. يعتبر C276 هو الخيار الأكثر رسوخًا في البيئات شديدة الحموضة، خاصة حيث يوجد حمض الهيدروكلوريك في المياه المنتجة أو عندما يتجاوز الضغط الجزئي لكبريتيد الهيدروجين 1 ميجا باسكال.

يوفر محتوى التنغستن في C276 هامشًا إضافيًا من الأمان في هذه الظروف القاسية. تمت الموافقة على C2000 للخدمة الحامضة ولكن يتم تحديده عادةً عندما لا يقتصر الاهتمام الأساسي على كبريتيد الهيدروجين فحسب، بل أيضًا على المكونات الحمضية (مثل ثاني أكسيد الكربون مع الأحماض العضوية) التي تخلق ظروفًا حمضية مختلطة. ومن الناحية العملية، تم استخدام C2000 بنجاح في معدات معالجة الغاز الحامض حيث يحتوي الغاز على كل من كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون مع الأحماض العضوية، وهي بيئة حمضية مختلطة حيث توفر إضافة النحاس في C2000 مقاومة فائقة.

تتطلب كلتا السبيكتين محلولًا-مُلدنًا وصلابة أقل من 35 HRC للوفاء بمتطلبات NACE. بالنسبة للبيئات الحامضية الأكثر عدوانية والتي تحتوي على حمض الهيدروكلوريك (مثل وحدات إزالة الغاز الحمضي أو عمليات تحفيز الحمض)، يظل C276 هو الاختيار الصناعي القياسي.

الجدول 6. مقارنة الخدمة الحامضة (NACE MR0175/ISO 15156)

المصدر: NACE MR0175/ISO 15156 الجزء 3 (2020)؛ نشرات الخدمة الحامضة من Haynes International C2000 وC276.

كيف ينبغي أن تكون ملحومة C2000 وC276؟

يتطلب كل من C2000 وC276 GTAW مع معادن حشو من نوع ERNiCrMo - متطابقة (ERNiCrMo-10 لـ C276، وERNiCrMo-14 لـ C2000) وتحكم صارم في إدخال الحرارة، ولكن C2000 أكثر تسامحًا قليلاً نظرًا لمحتواه العالي من الكروم، في حين أن C276 أكثر حساسية لهطول المراحل بين المعادن في HAZ.

يعد اللحام خطوة حاسمة في تصنيع معدات C2000 وC276 لأن كلا السبيكتين تكونان عرضة لهجوم المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)- إذا لم يتم التحكم في مدخلات الحرارة. C276 هو الأكثر حساسية بين السبائكتين بسبب محتواه العالي من Mo وW، مما يعزز ترسيب الطور mu والطور P في نطاق 600-1100 درجة مئوية. مدخلات الحرارة الموصى بها لـ C276 هي 0.5-1.5 كيلوجول/مم، ودرجة حرارة التداخل أقل من 93 درجة مئوية، ولا يوجد تسخين مسبق. يعتبر C2000 مع إضافاته الأعلى من الكروم والنحاس أكثر تحملاً لحرارة اللحام، ولكن يوصى بنفس التحكم الصارم: 0.5-1.5 كيلو جول/مم مدخلات حرارية، ممر فاصل أقل من 120 درجة مئوية.

بالنسبة لـ C276، يكون معدن الحشو هو ERNiCrMo-10 (AWS A5.14, UNS N06059) أو ERNiCrMo-4 (UNS N10276). يحتوي ERNiCrMo-10 على نسبة Cr أقل من ERNiCrMo-4 ولكنه ملائم بشكل أفضل لمقاومة التآكل في C276. بالنسبة لـ C2000، فإن معدن الحشو هو ERNiCrMo-14 (AWS A5.14، UNS N06200)، والذي تم تطويره خصيصًا لـ C2000 ويحتوي على تركيبة مطابقة 23Cr-16Mo-1.5Cu. ERNiCrMo-14 هو الحشو المفضل لـ C2000 ويوفر أفضل تطابق لمقاومة التآكل في معدن اللحام. المعالجة الحرارية بعد اللحام غير مطلوبة لأي من السبيكتين في المقاطع الرقيقة؛ بالنسبة للمقاطع السميكة، فإن التلدين بالمحلول عند 1120-1175 درجة مئوية (C276) أو 1121-1177 درجة مئوية (C2000) متبوعًا بالتبريد السريع بالماء يعيد الخصائص المثالية.

الجدول 7. معلمات اللحام لـ C276 وC2000

المصدر: دليل اللحام Haynes International C276 وC2000؛ كود اللحام الهيكلي AWS D1.6؛ ASME القسم التاسع؛ أوس A5.14/A5.14M.

C2000 vs C276: متى تختار أي سبيكة؟

اختر C276 للأحماض المختزلة النقية (حمض الهيدروكلوريك بأي تركيز، وH2SO4 المخفف أقل من 10 بالمائة) والخدمة شديدة الحموضة مع وجود حمض الهيدروكلوريك؛ اختر C2000 لحمض الكبريتيك (10-96 بالمائة)، وحمض النيتريك، والبيئات الحمضية المختلطة، والمياه الملكية، والخدمة الحامضة مع ثاني أكسيد الكربون بالإضافة إلى الأحماض العضوية؛ عندما تكون في شك بين الاثنين، C2000 هو الخيار الأكثر عالمية.

يجب أن يكون الاختيار بين C2000 وC276 مدفوعًا ببيئة التآكل المحددة وليس بالتكلفة أو العادة. يعتمد إطار القرار أدناه على آلية التآكل السائدة في كل تطبيق: إذا كانت البيئة مخفضة تمامًا (لا توجد أنواع مؤكسدة)، فإن C276 مع W الأعلى وسجل حافل هو المعيار؛ إذا كانت البيئة مؤكسدة أو مختلطة، فإن C2000 الذي يحتوي على نسبة أعلى من الكروم والنحاس هو الخيار الوحيد الموثوق به. بالنسبة للبيئات الحمضية المختلطة، الخيار واضح: C2000 هو الخيار الوحيد القابل للتطبيق بين هاتين السبائكتين.

بالنسبة للخدمة الحامضة مع حمض الهيدروكلوريك في المياه المنتجة، يفضل استخدام C276؛ بالنسبة للخدمة الحامضة بدون حمض الهيدروكلوريك ولكن مع ثاني أكسيد الكربون والأحماض العضوية، غالبًا ما يكون C2000 هو الخيار الأفضل. عندما تكون كلا السبائك مقبولة من الناحية الفنية (على سبيل المثال، الأحماض المخففة عند درجة حرارة منخفضة)، فإن تكلفة C276 الأقل وسجلها الأطول يجعلها الاختيار الافتراضي. إن علاوة التكلفة البالغة 15-25 بالمائة لـ C2000 على C276 لا يمكن تبريرها إلا عند الحاجة إلى المزايا المحددة لـ C2000 (مقاومة الأكسدة/الأحماض المختلطة).

الجدول 8. مصفوفة القرار: C2000 مقابل C276

المصدر: Haynes International H-2002 وH-2014؛ دليل ASM المجلد . 13A؛ تجربة صناعة المعالجة الكيميائية المجمعة 1995-2025.

دراسة الحالة: ترقية مكثف حمض الفوسفوريك من C276 إلى C2000

قام أحد مصانع الأسمدة في الشرق الأوسط بترقية الأجزاء الداخلية لمكثف حمض الفوسفوريك من C276 إلى C2000 في عام 2018، مما أدى إلى تقليل تكاليف الصيانة السنوية المرتبطة بالتآكل-بنسبة 55 بالمائة وتمديد فترات التنفيذ من عامين إلى 4 أعوام، مما يبرر علاوة تكلفة المواد بنسبة 18 بالمائة في غضون 14 شهرًا.

يقوم المصنع بتشغيل مكثف حمض الفوسفوريك (H3PO4) الذي يزيد تركيز الحمض من 30 بالمئة إلى 54-58 بالمئة عند درجات حرارة 90-110 درجة مئوية. تتضمن العملية التركيز المتزامن والتبخر والتدوير للحمض شديد التآكل الذي يحتوي على شوائب الفلورايد (50-200 جزء في المليون فهرنهايت-) من خام تغذية حمض الفوسفوريك بالعملية الرطبة. كانت المواصفات الأصلية هي C276 لجسم المكثف وأنابيب التسخين والأجزاء الداخلية لموزع الحمض. بعد 6 سنوات من الخدمة (2012-2018)، كشف الفحص أن مكونات C276 في قسم البخار كانت تعاني من تآكل عام معتدل (0.10-0.20 مم/عام) وتنقر عرضي في واجهة البخار والسائل.

يزداد معدل التآكل بشكل ملحوظ عندما يتجاوز تركيز الحمض 45 بالمائة. حدد تحليل الفشل أن شوائب الفلورايد الموجودة في حمض العملية الرطب- مع الطبيعة المؤكسدة للحمض المركز الساخن خلقت بيئة اختزال مؤكسدة - مختلطة كانت هامشية بالنسبة لـ C276. في عام 2018، استبدل المصنع الأجزاء الداخلية لقسم البخار بألواح الأنابيب C2000 (UNS N10200)، ولوحات التوزيع، وأجهزة الدعم. بعد 4 سنوات من التشغيل (2018-2022)، أظهر الفحص أن معدلات التآكل العامة تبلغ 0.01-0.03 مم/السنة فقط مع عدم وجود حفر، وهو ما يمثل تحسنًا بمقدار 6 أضعاف عن C276 في نفس الخدمة. وانخفضت تكلفة الصيانة السنوية من 340 ألف دولار إلى 153 ألف دولار. تم استرداد علاوة المواد البالغة 18 بالمائة (حوالي 45.000 دولار تكلفة إضافية لـ 3 أطنان) خلال 14 شهرًا من خلال تخفيض الصيانة وحدها.

المصدر: حالة ميدانية مقدمة من عميل JN Alloy (مجهول المصدر)؛ مذكرة تطبيق حمض الفوسفوريك C2000 من Haynes؛ بيانات هندسة مصنع الأسمدة.

دراسة الحالة: تطبيق الأحماض المختلطة في مصنع معالجة الغاز الحامض

اختارت منشأة معالجة الغاز الحامض في آسيا الوسطى C2000 بدلاً من C276 للأجزاء الداخلية لامتصاص وحدة إزالة الغاز الحمضي (AGRU) للتعامل مع مزيج من تلوث H2S وCO2 وحمض الفورميك في الجزء العلوي من جهاز تجديد الأمين الهزيل، مما أدى إلى القضاء على ثلاث سنوات من عمليات الإغلاق الناجمة عن التآكل- والتي ابتليت بها الوحدة السابقة المجهزة بـ C276.

يقوم مصنع معالجة الغاز الحامض بمعالجة الغاز بنسبة 8% من كبريتيد الهيدروجين و12% من ثاني أكسيد الكربون، مما ينتج محلول أمين خالي من الدهون يجدد النفقات العامة التي تحتوي على كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء وحمض الفورميك (HCOOH) من التحلل الحراري للمذيبات الأمينية. تم تصنيع المكثف العلوي لجهاز التجديد والأجزاء الداخلية لإزالة الضباب في الأصل من C276.

بعد 18 شهرًا فقط من الخدمة، بدأت شاشات الشبكات السلكية الداعمة لإزالة الضباب C276 تظهر عليها علامات تشقق التآكل الإجهادي عند اللحامات، وأظهرت أنابيب المكثف تحت -تنقر الرواسب بمعدلات تآكل تبلغ 0.30-0.50 مم/عام. تم تحديد حمض الفورميك الموجود في التيار العلوي باعتباره السبب الجذري: حمض الفورميك هو حمض مختزل عضوي يهاجم الطبقة السلبية لـ C276، في حين أن كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون الموجودين في نفس الوقت يخلقان بيئة حمضية مختلطة معقدة.

أوصت مراجعة هندسة التآكل باستبدال C276 بـ C2000 للمكونات الداخلية لـ AGRU. كان من المتوقع أن تتعامل نسبة الكروم الأعلى (23 بالمائة) مع خدمة ثاني أكسيد الكربون H2S - الحامضة، بينما كان من المتوقع أن تؤدي إضافة النحاس (1.6 بالمائة) إلى قمع هجوم حمض الفورميك. تم تركيب عناصر إزالة الضباب C2000 (UNS N10200) وأجهزة الدعم وأنابيب المكثف في عام 2019. وبعد 5 سنوات من التشغيل (2019-2024)، أظهر الفحص عدم وجود تشققات أو حفر ومعدلات تآكل عامة أقل من 0.02 مم/عام. لم تشهد المحطة أي عمليات إيقاف تشغيل غير مخطط لها تتعلق بتآكل AGRU خلال فترة الخمس سنوات، مقارنة بمتوسط ​​1.2 عملية إيقاف تشغيل غير مخطط لها سنويًا باستخدام معدات C276.

المصدر: مذكرة تطبيق معالجة الغاز Haynes C2000؛ دراسة حالة SPE-195565-MS (مقتبسة)؛ البيانات الميدانية من منشأة الغاز الحامض في آسيا الوسطى.

ما هي المعايير التي تحكم C2000 وC276؟

تشترك C2000 وC276 في نفس معايير نموذج المنتج ASTM (B575 للوحة، B622 للأنابيب غير الملحومة، B619 للأنابيب الملحومة، B574 للقضبان، B366 للتجهيزات)، وكلاهما مقبول في ASME BPVC القسم الثامن القسم 1 وNACE MR0175/ISO 15156، ولكن C2000 لديها عدد أقل من المطاحن التي تنتجها حاليًا، مما قد يؤثر على فترات التوريد.

يتم مشاركة إطار المعايير الخاص بـ C2000 (UNS N10200) وC276 (UNS N10276) إلى حد كبير نظرًا لأن كلتا السبيكتين تندرجان ضمن عائلة Hastelloy C-من سبائك النيكل-الموليبدينوم-كروم. معايير نموذج منتج ASTM الرئيسية التي تغطي كلتا السبيكتين هي: ASTM B575 للألواح والصفائح والشرائط؛ ASTM B622 للأنابيب والأنابيب غير الملحومة؛ ASTM B619 للأنابيب الملحومة؛ ASTM B626 للأنبوب الملحوم؛ ASTM B574 للقضبان والقضبان؛ ASTM B564 للمطروقات؛ وASTM B366 لتركيبات اللحام التناكبي-. يوفر القسم الثاني من كود أوعية الضغط والغلايات ASME قيم الضغط المسموح بها لكلا السبيكتين حتى 427 درجة مئوية (800 درجة فهرنهايت) في حالة التلدين -. يسمح القسم الثامن من ASME، القسم 1، باستخدام كلا السبيكتين في بناء أوعية الضغط. يسرد الجزء 3 من NACE MR0175/ISO 15156 كلا السبائك للخدمة الحامضة في المحلول -المصلب بصلابة أقل من 35 HRC.

هناك اختلاف عملي مهم وهو توفر العرض: يتم إنتاج C276 بواسطة العديد من المطاحن في جميع أنحاء العالم (Haynes وVDM وSpecial Metals والعديد من المطاحن الصينية) ويتم تخزينه على نطاق واسع بجميع الأحجام الشائعة. يتم إنتاج C2000 بشكل أساسي بواسطة شركة Haynes International وعدد محدود من المطاحن المرخصة، مما يجعل تخزينه أقل شيوعًا وبفترات زمنية أطول تصل إلى 12-20 أسبوعًا للأحجام غير القياسية. بالنسبة للجداول الزمنية للمشروع، يجب أن يؤخذ فرق العرض هذا في الاعتبار عند تخطيط شراء المواد.

الجدول 9. المعايير المطبقة على C2000 وC276

المصدر: ASTM الدولية 2024؛ ASME BPVC إصدار 2023؛ نيس MR0175/ISO 15156-3:2020; هاينز الدولية.

ما هي التكلفة الإجمالية لملكية C2000 مقابل C276؟

على الرغم من أن C2000 يحمل علاوة تكلفة مواد بنسبة 15-25 بالمائة مقارنة بـ C276، فإنه في تطبيقات الخدمة المختلطة للأحماض والحامض يوفر C2000 تكلفة إجمالية أقل بنسبة 40-60 بالمائة لمدة 20 عامًا من خلال تقليل الصيانة والفواصل الزمنية الأطول والتخلص من فترات التوقف غير المجدولة.

يجب أن يكون تحليل التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) خاصًا بالتطبيق-لأن القيمة النسبية لـ C2000 مقابل C276 تتغير بشكل كبير اعتمادًا على البيئة المسببة للتآكل. في خدمة حمض الاختزال النقي حيث يكون C276 كافيًا من الناحية الفنية، فإن اختيار C2000 سيضيف 15-25 بالمائة إلى تكلفة المواد دون إضافة ميزة مقاومة التآكل، مما يؤدي إلى زيادة التكلفة الإجمالية للملكية. في الخدمة الحمضية المختلطة حيث يكون C276 هامشيًا، يؤدي اختيار C2000 إلى التخلص من مخاطر الفشل المبكر ويوفر تكاليف صيانة أقل بنسبة 40-60 بالمائة.

وتوضح دراسة الحالة الخاصة بمكثف حمض الفوسفوريك (القسم 10) ما يلي: تم استرداد علاوة المواد البالغة 18 بالمائة خلال 14 شهرًا من خلال تخفيض الصيانة. يوضح الجدول أدناه سيناريوهين تمثيليين للتكلفة الإجمالية للملكية لمدة 20 عامًا: (1) مفاعل حمض مختلط حيث يكون C2000 مطلوبًا، و(2) مبادل حراري HCl مخفف حيث يكون C276 كافيًا.

جدول 10. 20-مقارنة التكلفة الإجمالية للملكية للعام: C2000 مقابل C276

المصدر: التحليل الهندسي لـ JN Alloy؛ معايير التكلفة الإجمالية لصيانة مصانع الكيماويات 2018-2024.

الأسئلة المتداولة

س: هل يمكن استخدام C2000 كبديل مباشر لـ C276 في المعدات الموجودة؟

ج: يمكن أن يحل C2000 محل C276 في معظم البيئات التي يعمل فيها C276 بشكل مناسب أو يفشل، مع استثناء واحد مهم: يجب ألا يحل C2000 محل C276 في خدمة حمض الهيدروكلوريك المركزة (أعلى من 20 بالمائة) حيث يكون C276 هو الخيار الوحيد القابل للتطبيق. في جميع البيئات الأخرى، سيعمل C2000 على الأقل بنفس أداء C276، وفي البيئات المؤكسدة والأحماض المختلطة سيكون أداؤه أفضل بكثير. لاتخاذ قرارات الاستبدال، يجب على مهندس التآكل مراجعة شروط الخدمة المحددة مقابل البيانات الواردة في الجداول 3-6 و8.

س: لماذا يكون تخزين C2000 أقل شيوعًا من C276؟

ج: تم تقديم C2000 بواسطة Haynes International في التسعينيات ولكنه لم يحقق مطلقًا نفس اختراق السوق مثل C276، الذي ظل في الخدمة منذ الستينيات وهو الخيار الافتراضي لمعظم تطبيقات حمض الاختزال. يتم إنتاج C276 بواسطة مطاحن متعددة في جميع أنحاء العالم ويتم تخزينه على نطاق واسع بأحجام قياسية. يتم إنتاج C2000 بشكل أساسي بواسطة شركة Haynes International بإنتاج محدود-من جهة خارجية، مما يؤدي إلى فترات زمنية أطول (12-20 أسبوعًا للأحجام غير القياسية) وتكلفة أعلى. بالنسبة للجداول الزمنية للمشروع، يعد الشراء المبكر لـ C2000 أمرًا ضروريًا.

س: ما هي درجة الحرارة القصوى لـ C2000 وC276 في خدمة H2S؟

ج: يوصى باستخدام C276 حتى 450 درجة مئوية في الخدمة التي تحتوي على H2S-، بينما يوصى باستخدام C2000 حتى 400 درجة مئوية. يرجع هذا الاختلاف إلى محتوى الكروم العالي في C2000، مما يجعله أكثر عرضة لهجوم الكبريت بدرجة حرارة عالية- فوق 400 درجة مئوية. بالنسبة للخدمة الحامضة التي تقل عن 232 درجة مئوية (الحد الأعلى NACE MR0175)، يتم استخدام كلا السبائك تمت الموافقة عليه دون قيود على درجة الحرارة في المحلول-المُلدن.

س: هل C2000 أفضل من C276 في مياه البحر؟

ج: نعم، يوفر C2000 مع نسبة الكروم الأعلى (23 بالمائة مقابل 15 بالمائة) وإضافة النحاس (1.6 بالمائة) مقاومة أفضل قليلاً في مياه البحر الساخنة ومناطق الرش مقارنةً بـ C276. في مياه البحر عند 80 درجة مئوية، يُظهر C2000 عادةً معدلات تآكل عامة أقل من 0.02 مم/سنة بدون أي تأليب، في حين قد يُظهر C276 تأليبًا بسيطًا. ومع ذلك، بالنسبة لخدمة مياه البحر، عادةً ما تكون السبائك 625 أو السبائك 254 SMO أو الدرجات الأوستنيتي الفائقة أكثر فعالية من حيث التكلفة-ما لم تكن هناك ظروف حمضية مختلطة أيضًا.

س: هل يمكن لحام C2000 وC276 ببعضهما البعض؟

ج: نعم، يمكن لحام C2000 وC276 ببعضهما البعض باستخدام معدن الحشو ERNiCrMo-10 (UNS N06059)، الذي يحتوي على تركيبة متوسطة بين المعدنين الأساسيين. يمكن أيضًا استخدام حشو ERNiCrMo-14 (UNS N06200)، الذي تم تطويره خصيصًا لـ C2000، ولكن لديه نسبة Cr:Mo مختلفة قليلاً. بالنسبة إلى اللحامات المتباينة من C2000 إلى C276، فإن ERNiCrMo-10 هي التوصية القياسية. مطلوب تأهيل الإجراء وفقًا لمعيار الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين القسم التاسع لحامات الإنتاج. سيكون لمعدن اللحام الناتج خصائص متوسطة بين C276 وC2000.

س: ما هو PREN الخاص بـ C2000 وكيف يمكن مقارنته بـ C276؟

ج: يحتوي C2000 على PREN (رقم مكافئ لمقاومة التنقر) يبلغ حوالي 65-70، ويتم حسابه كنسبة Cr (23) + 3.3 مرة Mo بالمائة (16) + 16 مرة N بالمائة (0)، تقريبًا 65-70. يحتوي C276 على PREN يبلغ حوالي 68، محسوبًا كنسبة Cr (15) + 3.3 مرة Mo بالمائة (16) + 3.3 مرة W بالمائة (3.75) + 16 مرة N بالمائة (0)، تقريبًا 68. تتمتع كلا السبائك بقيم PREN متشابهة جدًا في النطاق 65-70، مما يعني أن لديهم مقاومة نظرية مماثلة لتنقر الكلوريد. يرجع الفرق في الأداء بين C2000 وC276 عمليًا بشكل أساسي إلى توازن Cr:Cu للوسائط المؤكسدة، وليس عن طريق PREN وحده.