Lean duplex toepassingen in petrochemie

In de petrochemie worden diverse koolwaterstoffen gemaakt uit rest producten van de aardolie winningen en raffinage. Belangrijke basis grondstoffen geproduceerd door de petrochemie zijn bijvoorbeeld: etheen, propeen, buteen, benzeen paraxyleen. Bekende eindproducten zijn o.a.: polyetheen, polypropeen, rubber, polystyreen schuim, nylon, polyetheentereftalaat (PET).



Zuivere koolwaterstoffen zijn niet corrosief. De hulpstoffen, katalysatoren en verontreinigingen kunnen zeer corrosief zijn. Materiaalkeuze in de petrochemie is een complex proces. De volgende corrosieve media, ook combinaties, kunnen aanwezig zijn: zeewater, zwavel-waterstof (H2S), zoutzuur, zwavelzuur, waterstof fluoride, natronloog, organische zuren. Naast deze corrosieve condities dienen sommige constructiematerialen ook geschikt te zijn voor de bedrijfstemperaturen die kunnen variëren van -140oC tot 1400oC en bedrijfsdrukken tot soms 3000 Barg. Koolstofstaal wordt het meest gebruikt. Indien men gelijkmatige corrosie verwacht kan men een corrosietoeslag van b.v. 3 mm gebruiken in het ontwerp. Voor toestellen met corrosiesnelheden boven 0,25 mm/jaar of een berekende corrosietoeslag van meer dan 6 mm, of lokale aantasting zoals b.v.: spanningscorrosie, spleetcorrosie en putcorrosie is het meestal beter een meer corrosie bestendig materiaal te nemen. Soms wordt een beschermende bekleding (coating) gebruikt.

Roestvast staal (RVS of SS) wordt toegepast indien koolstofstaal niet geschikt is. Meestal worden legeringen van de 300 serie gebruikt b.v: 304 (L/H), 316 (L/H), 321H, 347H.
 

304SS of 316SS worden o.a gebruikt voor:

• Bedrijfstemperaturen beneden -50oC
• Bedrijfstemperaturen boven 550oC
• Installaties met specifieke eisen aan productzuiverheid

Corrosieve media 3<pH<5 of Acid Number (AN) >2 mgKOH/gr.

Voor de corrosieve media wordt veelal 316L SS gebruikt aangezien de media reducerend zijn. In raffinaderijen wordt soms geen massief 316L SS gebruikt omdat men interne of externe chloride spanningscorrosie een te hoog risico vindt. In dit geval wordt 316/317L SS geclad koolstofstaal gebruikt. Door de goede ervaringen met duplex RVS in chemie en off-shore wordt dit staal meer gebruikt, ook in raffinaderijen. In de laatste decennia is het gebruik van duplex 2205 toegenomen.
 

De voordelen van duplex t.o.v. 316SS zijn:

• Minder gevoelig voor chloride spanningscorrosie
• Sterkte 2x beter dan 316SS.
• Redelijke prijs/sterkte ratio in Europa.
• Goede verkrijgbaarheid in Europa
• Beter thermische geleidbaarheid and lagere thermische expansie.

Duplex toepassing wordt beperkt door:

• Klein ontwerp temperatuur bereik: -50oC < DSS < 300oC
• Verwerkbaarheid; smeden, buigen, lassen vragen meer kennis en vakmanschap hetgeen meer QC eist.
• Beperkte verkrijgbaarheid in kleine hoeveelheden buiten Europa.

Life Cycle Cost (LCC) berekeningen toonden aan dat het goedkoper was om b.v. een warmtewisselaar (WW) iedere 6 jaar te vervangen door een identieke koolstofstalen WW dan een 2205 duplex WW te installeren die b.v. 18+ jaar levensduur heeft.  Door het lage nikkel en molybdeen gehalte van lean duplex 2101 is de prijs van dit staal lager dan 316SS. Nikkel is vervangen door hogere mangaan en stikstof gehaltes. De belangrijkste voordelen van duplex: minder gevoelig voor chloride SCC en hoge sterkte zijn behouden. De verwerkbaarheid van 2101 LDSS is gemakkelijker dan van 2205 DSS. Het lage nikkel en molybdeen gehalte heeft wel een negatieve invloed op de corrosie bestendigheid, minder goede put-corrosie en spleet-corrosie bestendigheid t.o.v 316SS en 2205DSS. Door het lage nikkel gehalte is ook de taaiheid minder. Daarom wordt lean duplex 2101 primair toegepast in zwak corrosieve condities als alternatief voor koolstofstaal, gecoat koolstofstaal, spanningsarm gegloeid koolstofstaal, of waar 2205 een overkill is. LCC studies tonen aan dat lean duplex een betere keus wordt als men na enkele jaren gebruik de kosten voor onderhoud en inspectie toevoegt aan het totale kosten plaatje.  Enkele voorbeelden met toepassing van lean duplex worden nu gegeven. Kleine opslagtanks in lean duplex 2101 zijn in West Europa een goed alternatief voor koolstof stalen tanks indien deze tanks i.v.m. de zwak zure condities in de bodemsecties te hoge corrosie vertonen. Voorheen werden deze tanks met een coating voorzien. De coating kosten en vooral de kosten voor coating inspecties, reparaties en tijdelijke opslag na 5- 10 jaar maken de lean duplex tank een betere keus.



Diverse lean duplex tanks, samengesteld in de werkplaats zijn reeds geïnstalleerd. Omdat de materialen voor de stompen niet beschikbaar waren in 2101 LDSS zijn deze gemaakt van 316 SS. De tanks zijn geïsoleerd. Ter voorkoming van externe chloride SCC, corrosie onder isolatie, van de 316 SS stompen op deze tanks is onder de isolatie de tank met aluminium folie omwikkeld. Tegenwoordig zijn ook lean duplex pijpen en flenzen voor stompen beschikbaar. De betrouwbaarheid van koolstofstalen (CS) warmtewisselaar pijpen in kritische koeltoren water service is voor verbetering vatbaar. Typisch wil men deze koelers 6 of 8 jaar zonder tussentijdse inspectie of onderhoud  bedrijven. Ondanks diverse modificaties aan de waterbehandeling komen, binnen 8 jaar, CS pijp lekkages voor, meestal door het synergetische effect van lage water snelheid, pijp vervuiling, corrosie onder afzettingen. Voor kleine koelers was het economisch mogelijk om de bundels te vervangen door 2205 DSS bundels. Door de hoge nikkel prijs werd dit moeilijker. Voor grote bundels is 2205 DSS economisch niet haalbaar. Echter lean duplex 2101 tubes in combinatie met koolstofstalen pijpenplaten bieden nieuwe mogelijkheden. Voor slechts 20-50% meerkosten en een verwachte 2x of 3x langere levensduur t.o.v. koolstofstalen pijpen is een WW in lean duplex economisch haalbaar. Wel wordt de wanddikte van 2.7 mm of 2.4 mm verlaagd naar 1,65 mm. Dit, in combinatie met het veel schonere oppervlak maakt dat er geen thermische verschil is tussen een lean duplex en  koolstofstaal pijpen bundel. Een nieuw toepassingsgebied voor lean duplex is de vervanging van kleine diameter koolstofstalen installatieleidingen door lean duplex 2101. Voor installatieleidingen tot 8” ( 220 mm) ND kan LDSS een goed alternatief zijn indien externe isolatie, met beschermende coating of spanningsarm gloeien nodig is voor de koolstofstalen leiding. In bestaande koolstofstalen systemen met zwak zure media of system met hoge snelheden (natte stoom, condensaat, amine systemen) kan LDSS gebruikt worden om de betrouwbaarheid te verbeteren met goede economische haalbaarheid.