10 materiali resistenti alla corrosione da processo e come sceglierli / 10 materials that stand-up to process corrosion

10 materiali resistenti alla corrosione da processo e come sceglierli / 10 materials that stand-up to process corrosion — and how to pick them

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

La corrosione, attraverso vari processi chimici, rappresenta forse la minaccia maggiore per una vasta gamma di apparecchiature di processo chimico. Dalle soluzioni acide ai solventi aggressivi, dalle miscele reattive liquido-gas alle reazioni catalitiche ad alta temperatura, i materiali in questi ambienti devono resistere alle condizioni più difficili, mantenendo al contempo resistenza, integrità, prestazioni e longevità. E in molti casi, tali apparecchiature devono essere anche facilmente pulibili e riparabili.

La corrosione è il nemico numero uno delle apparecchiature di processo industriale, dall'industria farmaceutica a quella alimentare e delle bevande, fino alla produzione di energia. I progressi nei metodi e nella comprensione hanno trasformato l'affidabilità e l'efficacia funzionale in tutti i settori, sebbene tale effetto sia forse più profondo nella scienza dei materiali. Esistono ancora diversi materiali ben noti, ma i progressi nella loro producibilità hanno ampliato la gamma di applicazioni idonee.

Ecco 10 tipi di materiali che non temono la corrosione dovuta alla lavorazione. E alcuni criteri iniziali per valutarne le differenze prestazionali.

1. Titanio (Grado 2/Grado 7)

Il titanio offre un'eccellente resistenza ad un'ampia gamma di agenti corrosivi, tra cui soluzioni ioniche di cloruro, acqua di mare e molti acidi. Il grado 2 è ampiamente utilizzato per la sua saldabilità e la sua moderata resistenza, mentre il grado 7 include palladio per una maggiore resistenza alla corrosione in ambienti riducenti od acidi. Tra gli usi più comuni rientrano scambiatori di calore, recipienti a pressione e rivestimenti di reattori.

2. Hastelloy (C-22, C-276)

Questa superlega di nichel-molibdeno-cromo è altamente resistente agli agenti chimici aggressivi, inclusi acido cloridrico, solforico e nitrico. L'Hastelloy è frequentemente utilizzato in scrubber, reattori e sistemi di desolforazione dei gas di combustione. La sua eccezionale resistenza alla vaiolatura, alla corrosione interstiziale ed alla tensocorrosione lo rende ideale per gli ambienti più difficili. Il C-22 è ideale per gli ambienti ossidanti grazie al suo elevato contenuto di cromo, mentre il C-276 è più resiliente negli ambienti riducenti grazie ai suoi elevati livelli di molibdeno.

3. Inconel (600, 625)

Le superleghe di Inconel offrono un'eccellente resistenza alla corrosione ed all'ossidazione, anche a temperature elevate. L'Inconel 625 (Ni-Ch-Ni-Mo) è preferito per le sue prestazioni rispetto agli ambienti marini, ai forti ossidanti ed alle soluzioni acide, grazie al basso o nullo contenuto di ferro. L'Inconel 600 (Ni-Cr-Fe) è un grado più generico, ma offre comunque un'elevata resistenza alla corrosione, alla vaiolatura ed alla criccatura da cloruri. Le applicazioni tipiche includono colonne di distillazione, valvole e recipienti ad alta temperatura.

4. Tantalio

Il tantalio possiede una notevole resistenza alla corrosione, in particolare contro gli acidi forti (acido solforico e nitrico). Sebbene molto costoso, viene utilizzato in applicazioni chimiche di nicchia ad elevata purezza, dove le esposizioni rilevanti si verificano ai limiti estremi di scala e temperatura. Tra gli usi comuni figurano scambiatori di calore, pozzetti termometrici e rivestimenti per recipienti di reazione.

5. Acciaio inossidabile duplex (2205, 2507)

Gli acciai duplex combinano la resistenza degli acciai ferritici e la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili austenitici in una lega a doppia struttura. Entrambi offrono una resistenza superiore alla criccatura da corrosione sotto sforzo, alla vaiolatura ed alla corrosione generale, dove il 2205 offre un rapporto costo/prestazioni inferiore e il 2507 è significativamente migliore in ambienti estremamente difficili e ad alto stress. Sono comunemente utilizzati in serbatoi chimici, sistemi di tubazioni e piattaforme offshore.

6. Lega 20

La lega 20 è un gruppo unico di materiali con formulazione nichel-ferro-cromo, rame e molibdeno, specificamente progettati per applicazioni con acido solforico. Tuttavia, offre buone prestazioni anche in ambienti con cloruri e acido fosforico. Rappresenta un'alternativa economica alle leghe più costose e viene utilizzata in serbatoi di stoccaggio, pompe e valvole.

7. Componenti rivestiti in PTFE (Teflon) e PFA

I rivestimenti e le superfici in fluoropolimero sono chimicamente inerti e resistenti a praticamente tutti gli agenti chimici corrosivi. PTFE e PFA vengono utilizzati per rivestire tubi, serbatoi, valvole e guarnizioni, in particolare in ambienti ad elevata purezza od altamente corrosivi ed ad alte temperature, dove i metalli si degraderebbero rapidamente. Consentono l'utilizzo di leghe con un rapporto costo/prestazioni inferiore nelle applicazioni più impegnative.

8. Acciaio rivestito in vetro

I recipienti in acciaio rivestiti in vetro smaltato offrono una superficie resistente alla corrosione e non reattiva. Le apparecchiature smaltate sono ampiamente utilizzate nell'industria farmaceutica, della chimica fine e della lavorazione alimentare, soprattutto dove l'igiene e l'inerzia chimica sono fondamentali. Sono altamente suscettibili a danni meccanici ed, in caso di rottura, possono esporre il substrato metallico ad una corrosione puntiforme estrema. Questa soluzione richiede un'attenta gestione ed un attento monitoraggio durante l'uso, ma è una soluzione economica che consente prestazioni di alta qualità con materiali poco costosi.

9. Nichel 200/201

Il nichel commercialmente puro offre un'eccellente resistenza in presenza di materiali caustici, come idrossido di sodio o potassio. Il nichel 200 ha un contenuto di carbonio leggermente superiore, mentre il nichel 201 ne offre uno inferiore, con conseguenti migliori proprietà alle alte temperature. Questi materiali sono ideali per evaporatori, sistemi di tubazioni e scambiatori di calore nei processi chimici alcalini.

10. Acciaio inossidabile 316L

L'acciaio inossidabile 316L è un materiale dalle prestazioni moderate, sufficiente per un ampio spettro di condizioni operative piuttosto aggressive. Pur non essendo adatto agli ambienti più aggressivi, il 316L offre una buona resistenza alla corrosione per molti processi chimici, comprese le applicazioni con acido fosforico ed acetico. È ampiamente utilizzato grazie al suo ottimo rapporto qualità-prezzo, alla facilità di fabbricazione ed all'ampia compatibilità chimica.

Primi passi della selezione

La scelta del materiale resistente alla corrosione più appropriato per un ambiente più aggressivo implica il bilanciamento di sicurezza, prestazioni e costi, solitamente in quest'ordine. Di seguito sono riportate alcune domande o specifiche iniziali da considerare, sebbene ogni applicazione possa presentare sfide o standard industriali diversi da rispettare.

Fase 1: Valutare l'ambiente chimico

Iniziare con un'analisi dettagliata del mezzo chimico, della temperatura, della pressione e dello stato fisico (ad esempio, liquido, gassoso, solido). Una selezione efficace inizia con la comprensione della concentrazione del materiale, dell'alcalinità o dell'acidità, della presenza di cloruri o ossidanti, delle temperature operative e di picco previste, nonché della velocità e della turbolenza del flusso.

Fase 2: comprendere il meccanismo della corrosione

È importante selezionare materiali che offrano un'elevata resistenza alla forma di corrosione prevalente che si intende sperimentare. Queste forme sono generalmente classificate come:

Corrosione uniforme: perdita uniforme di materiale su una superficie
Corrosione per vaiolatura/crevice: attacchi altamente localizzati, particolari in ambienti ricchi di cloruri
Cricche da corrosione sotto sforzo (SCC): crepe formate e propagate dalla combinazione di sollecitazioni di trazione ed esposizione corrosiva
Corrosione galvanica: corrosione elettrochimica tra metalli con carica diversa in mezzi conduttivi.

Fase 3: Valutare le esigenze meccaniche e strutturali

Oltre alla corrosione, le apparecchiature devono resistere alle sollecitazioni meccaniche. Alcuni materiali chimicamente resistenti sono meno adatti a gestire varie forme di sollecitazione e questo è un fattore critico nella scelta dei materiali e nella progettazione del sistema.

Queste fonti di stress possono essere combinazioni di contenimento della pressione, fatica dovuta a carichi oscillanti, cambiamenti strutturali e dei materiali derivanti dai processi di fabbricazione o la combinazione di espansione indotta da calore elevato/ciclico insieme ad altre forze.

Alcuni materiali ad alta resistenza possono mancare di robustezza o essere difficili da lavorare senza alterazioni chimiche che influiscono sulla resistenza alla corrosione, richiedendo compromessi o rinforzi meccanici.

Fase 4: Costo contro prestazioni

Leghe esotiche come Hastelloy o tantalio offrono un'elevata resistenza, ma a un prezzo elevato. È necessario un equilibrio tra costo iniziale e costo del ciclo di vita, frequenza di manutenzione o sostituzione richiesta e fattore di analisi di sicurezza/rischio in base a modalità e conseguenze del guasto.

Per molte applicazioni, l'acciaio inossidabile o l'acciaio rivestito offrono prestazioni sufficienti a un costo totale inferiore e presentano rischi gestibili in termini di durata.

Fase 5: Rivestimenti e fodere

Quando non è possibile una costruzione completa in leghe costose, rivestimenti o rivestimenti in metalli più semplici, utilizzando materiali resistenti alla corrosione come PTFE, smalto, vetro o persino gomme sintetiche, possono offrire soluzioni convenienti con prestazioni sufficienti.

Possono garantire una protezione adeguata a un costo notevolmente inferiore rispetto ai materiali esotici, anche se queste soluzioni richiedono ispezioni più approfondite e aumenteranno la necessità di sostituire periodicamente le parti vulnerabili.

Passaggio 6: consultare sempre gli standard del settore

Cerca gli standard pertinenti tramite il motore di ricerca degli standard di GlobalSpec.

Riepilogo

Attraverso un'attenta analisi dell'ambiente, dei rischi di corrosione, delle esigenze meccaniche e di resistenza e dei fattori di costo, è possibile identificare un materiale che garantisca longevità, sicurezza ed economicità, mantenendo al contempo il regolare svolgimento delle operazioni. Spesso si tratta di un processo che si concentra sui singoli componenti, piuttosto che su una decisione univoca, poiché i fattori localizzati possono essere determinanti, zona per zona.

ENGLISH

Corrosion, by various chemical pathways, is perhaps the highest threat to a huge array of chemical processing equipment. From acidic solutions to aggressive solvents, from reactive liquid-gas mixtures to hot catalytic reactions, materials in these environments must endure the harshest of conditions while maintaining strength, integrity, performance and longevity. And in many cases, that equipment must be cleanable and easily repairable as well.

Corrosion is the enemy of industrial process equipment, from pharmaceuticals to food and beverage to energy production. Advances in methods and understanding have transformed reliability and functional effectiveness across all sectors, although that effect is perhaps most profound in materials science. And there remain several materials that are well-known, but advancements in their manufacturability has increased the scope of suitable applications.

Here are 10 material types that laugh in the face of corrosion due to materials processing. And some initial criteria to evaluate their performance differentials.

1. Titanium (Grade 2/Grade 7)

Titanium offers excellent resistance to a wide range of corrosive media, including chloride ionic solutions, seawater and many acids. Grade 2 is widely used due to its weldability and moderate strength, while Grade 7 includes palladium for enhanced corrosion resistance in reducing or acid environments. Common uses include heat exchangers, pressure vessels and reactor linings.

2. Hastelloy (C-22, C-276)

This nickel-molybdenum-chromium super-alloy is highly resistant to aggressive chemicals, including hydrochloric, sulfuric and nitric acids. Hastelloy is frequently used in scrubbers, reactors and flue gas desulfurization systems. Its exceptional resistance to pitting, crevice corrosion and stress corrosion cracking renders it ideal for the most demanding environments. C-22 is ideal for oxidizing environments due to its higher chromium content, where C-276 is more resilient in reducing environments because of its higher molybdenum levels.

3. Inconel (600, 625)

Inconel super-alloys provide excellent corrosion and oxidation resistance, even at elevated temperatures. Inconel 625 (Ni-Ch-Ni-Mo) is preferred for its performance versus marine environments, strong oxidizers and acidic solutions due to the low/zero iron content. Inconel 600 (Ni-Cr-Fe) is a more general grade, but still offers very high corrosion and chloride pitting and cracking resistance. Typical applications include distillation columns, valves and high-temperature vessels.

4. Tantalum

Tantalum possesses remarkable corrosion resistance, especially against strong acids (sulfuric and nitric acids). Though very costly, it is used in niche, high-purity chemical applications where relevant exposures are at the extreme end of scale and temperature. Common uses include heat exchangers, thermowells and linings for reaction vessels.

5. Duplex stainless steel (2205, 2507)

Duplex steels combine the strength of ferritic and corrosion resistance of austenitic stainless steels in a twin-structure alloy. They both offer superior resistance to stress corrosion cracking, pitting and general corrosion, where 2205 is lower cost/performance and 2507 is significantly better in extra harsh and high stress environments. They are commonly used in chemical tanks, piping systems and offshore platforms.

6. Alloy 20

Alloy 20 is a unique group of materials of nickel-iron-chrome formulation with copper and molybdenum, designed specifically for performance in sulfuric acid applications. However, it also performs well in environments with chlorides and phosphoric acid. It provides a cost-effective alternative to more expensive alloys and is used in storage tanks, pumps and valves.

7. PTFE (Teflon) and PFA-lined components

Fluoropolymer surface coatings and linings are chemically inert and resistant to virtually all corrosive chemicals. PTFE and PFA are used to line pipes, tanks, valves and gaskets, particularly in high-purity or highly corrosive and high temperature environments where metals would degrade quickly. They allow for the use of lower cost/performance alloys in more demanding applications.

8. Glass-lined steel

Steel vessels lined with enamel glass provide a corrosion-resistant, non-reactive surface. Glass-lined equipment is widely used in pharmaceuticals, fine chemicals and food processing, especially where hygiene and chemical inertness are critical. It is highly susceptible to mechanical damage and, when cracked, can expose the metal substrate to extreme pitting corrosion. This solution requires careful handling and close monitoring in use, but it is a low-cost solution allowing high grade performance from inexpensive materials.

9. Nickel 200/201

Commercially pure nickel offers excellent resistance in presence of caustic materials, like sodium or potassium hydroxide. Nickel 200 has a slightly higher carbon content, where Nickel 201 offers lower carbon, resulting in better properties at high temperatures. These materials are ideal for evaporators, piping systems and heat exchangers in alkaline chemical processes.

10. Stainless steel 316L

Stainless steel 316L is a moderate performance material that is sufficient to a wide spectrum of fairly aggressive operational conditions. While not suitable for the most aggressive environments, 316L offers good corrosion resistance for many chemical processes, including phosphoric and acetic acid applications. It's widely used due to its sweet spot in price, ease of fabrication and broad chemical compatibility.

First steps of selection

Selecting the most appropriate corrosion-resistant material for a more aggressive environment involves balancing safety, performance and cost, usually in that order. What follows are some initial questions or specifications to consider, although each application may have different challenges or industrial standards with which to comply.

Step 1: Assess the chemical environment

Start with a detailed analysis of the chemical media, temperature, pressure and physical state (e.g., liquid, gas, solid). Effective selection starts with understanding of material concentration, alkalinity or acidity, the presence of chlorides or oxidizers. the expected operating and peak temperatures. and flow velocity and turbulence.

Step 2: Understand the corrosion mechanism

It is important to select materials that offer high resistance to the dominant form of corrosion that is to be experienced. These forms are generally categorized as:

Uniform corrosion: even material loss over a surface
Pitting/crevice corrosion: highly localized attacks, particular to chloride-rich environments
Stress corrosion cracking (SCC): cracks formed and propagated by combined tensile stress and corrosive exposure
Galvanic corrosion: electrochemical driven corrosion between charge-dissimilar metals in conductive media.

Step 3: Evaluate mechanical and structural needs

In addition to corrosion, equipment must handle mechanical stresses. Some chemically resilient materials are less adept in handling various forms of stress and this is a critical factor in material selection and system design.

These stress sources can be combinations of pressure containment, fatigue from oscillating loads, material and structural changes resulting from fabrication processes, or the combination of high/cyclic heat induced expansion combined with other forces.

Some high-resistance materials may lack strength or be difficult to fabricate without chemical changes that affect corrosion resistance, requiring trade-offs or mechanical reinforcements.

Step 4: Cost versus performance

Exotic alloys like Hastelloy or tantalum provide top-tier resistance but at a high price. A balance is required between initial and lifecycle cost, maintenance or replacement frequency required and factor of safety/risk analysis in mode and consequence of failure.

For many applications, stainless steel or coated steel will offer sufficient performance at a lower total cost and offer manageable risks in terms of lifespan.

Step 5: Coatings and linings

When full construction from expensive alloys isn’t feasible, linings or coatings of a more basic metal, using corrosion-resistant materials such as PTFE, enamel, glass or even synthetic rubbers can offer cost-effective options of sufficient performance.

These can provide adequate protection at considerably lower cost than exotic materials, though these solutions require increased inspection and will increase the need for periodic replacement of vulnerable parts.

Step 6: Always consult industry standards

Search for relevant standards through GlobalSpec's standards search engine.

Summary

Through careful analysis of the environment, corrosion risks, mechanical and endurance needs, and cost factors, a material can be identified that ensures longevity, safety and cost-effectiveness — and keeps operations running smoothly. This is often a component-by-component process, rather than a one size fits all decision, as localized factors can be overwhelming, on a zone-by-zone basis.

Da:

https://insights.globalspec.com/article/23921/10-materials-that-stand-up-to-process-corrosion-and-how-to-pick-them?uid=%2D1474234620&uh=f9d092&md=250620&mh=65d1bb&Vol=Vol20Issue9&Pub=53&LinkId=2198783&keyword=link%5F2198783&itemid=407416&frmtrk=newsletter&cid=nl