Legierung 20 vs. Legierung 28: Auswahl des richtigen Superaustenits für den Säureeinsatz

Legierung 20ist für den Einsatz in Schwefelsäure optimiert (insbesondere<50°C concentrated H₂SO₄) and mixed-acid environments; Alloy 28 excels in phosphoric acid, sour gas (H₂S/CO₂/Cl⁻), and high-chloride environments. The choice depends on the dominant corrosive medium and operating temperature.

Sowohl Alloy 20 (UNS N08020) als auch Alloy 28 (UNS N08028) sind superaustenitische rostfreie Stähle -Nickel-Eisen-Chromlegierungen mit erhöhten Chrom-, Molybdän- und Kupferzusätzen, die in aggressiven Säureumgebungen standardmäßige austenitische Qualitäten übertreffen. Ihr Hauptunterschied liegt in der Betonung der Zusammensetzung: Legierung 20 priorisiert die Stabilisierung von Kupfer (3–4 %) und Niob für die Schwefelsäurebeständigkeit, während Legierung 28 Chrom (26–28 %) und Molybdän (3–4 %) für überlegene Lochfraßbeständigkeit und Phosphor-/Sauergas-Einsatz maximiert.

Superaustenitische Edelstähle verstehen

Superaustenitische rostfreie Stähle liegen sowohl hinsichtlich des Legierungsgehalts als auch der Korrosionsbeständigkeit über den standardmäßigen austenitischen Stählen (304, 316). Sie werden durch PREN-Werte (Pitting Resistance Equivalent Number) von über 40 definiert, die deutlich über den ~25 von Edelstahl 316 liegen. Sowohl Alloy 20 als auch Alloy 28 gehören zu dieser Klasse und bieten eine Beständigkeit gegen aggressive Säuren, Chloride und Spannungsrisskorrosion, die herkömmliche Edelstähle nicht bieten können.

Legierung 20: Schwefelsäurespezialist

Alloy 20 (UNS N08020, auch bekannt als Carpenter 20Cb-3, NS143, 0Cr20Ni35Mo3Cu4Nb) wurde 1963 speziell zum Schutz vor Schwefelsäurekorrosion bei der chemischen Verarbeitung entwickelt. Seine charakteristischen Merkmale sind der Zusatz von Kupfer (3–4 %) für die Schwefelsäurebeständigkeit und Niob (Nb größer oder gleich 8×C) für die Sensibilisierungsbeständigkeit. Es bleibt das Benchmark-Material für Schwefelsäureumgebungen.

Legierung 28: Champion für Phosphorsäure und Sauergas

Alloy 28 (UNS N08028, auch bekannt als Sanicro 28, 1.4563, 00Cr27Ni31Mo3Cu) wurde speziell für Nassprozess-Phosphorsäure-Wärmetauscher entwickelt. Sein höherer Gehalt an Chrom (26–28 %) und Molybdän (3–4 %) sorgt für eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber Phosphorsäure, Sauergasumgebungen (H₂S/CO₂/Cl⁻) und Halogenid-haltigen Medien. Für eine inhärente interkristalline Korrosionsbeständigkeit ist sein Kohlenstoffgehalt auf höchstens 0,03 % beschränkt.

Chemische Zusammensetzung

Legierung 20 enthält eine höhere Kupfer- (3–4 %) und Niob-Stabilisierung (Nb größer oder gleich 8×C), optimiert für Schwefelsäure. Legierung 28 enthält einen höheren Anteil an Chrom (26–28 % gegenüber 19–21 %) und Molybdän (3,5 % gegenüber 2,5 %), was ein überlegenes PREN (~36 gegenüber ~28) und eine bessere Beständigkeit gegen Lochfraß/Spaltkorrosion bietet.

PREN-Berechnung

PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N (Stickstoff ~0,15 % in beiden Qualitäten):

Legierung 20 PREN:20 + 3.3 × 2.5 + 16 × 0.15 = ~28.5

Legierung 28 PREN:27 + 3.3 × 3.5 + 16 × 0.15 = ~36.5

• Vorteil der Legierung 28 PREN: ~8 Punkte höher=deutlich bessere Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion.
• Branchenschwellenwert: PREN > 40 für Meerwasserdienste; Alloy 28 kommt diesem Wert mit der Bewertung 36,5 nahe.
• Alloy 20 PREN 28,5 ist wesentlich besser als 316 (PREN ~25), liegt aber deutlich unter Alloy 28.

Warum die Unterschiede in der Zusammensetzung wichtig sind

• Kupfer (Cu): Bildet mit Schwefelsäure Schutzkomplexe, die die Korrosionsrate verlangsamen. Unverzichtbar für den H₂SO₄-Service.
• Niob (Nb): Verhindert die Sensibilisierung von Chromkarbid beim Schweißen und bei Hochtemperaturanwendungen.
• Chrom (Cr): Haupttreiber der passiven Filmstabilität; höher=bessere allgemeine Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit.
• Molybdän (Mo): Entscheidend für die Lochfraßbeständigkeit; Verbessert die Chlorid- und Phosphorsäurebeständigkeit erheblich.

Physikalische und mechanische Eigenschaften

Beide Legierungen weisen vollständig austenitische Mikrostrukturen mit ausgezeichneter Duktilität bei Raumtemperatur auf. Alloy 20 hat aufgrund der Niobverstärkung eine etwas höhere Zugfestigkeit (größer oder gleich 550 MPa gegenüber 500 MPa), während Alloy 28 eine überlegene kryogene Zähigkeit und Warmbearbeitbarkeit bietet. Keines davon ist ohne sorgfältige Prüfung für den dauerhaften Einsatz über 450 Grad geeignet.

Kalter-Arbeitszustand

• Legierung 28 kalt-verformt: Zugfestigkeit bis zu 896 MPa, Streckgrenze bis zu 758 MPa, Dehnung auf ~15 % reduziert.
• Legierung 20: Reagiert auch auf Kaltumformung; Die Festigkeit nimmt bei mäßiger Verformung deutlich zu.
• Anwendungshinweis: Für Hochdruckrohrleitungen, die eine hohe Festigkeit erfordern, kann kaltverformte Legierung 28 oder Legierung 20 spezifiziert werden.

Erhöhte Temperaturbeschränkungen

Korrosionsbeständigkeit

Alloy 20 ist die bevorzugte Wahl für Umgebungen mit Schwefelsäure, insbesondere für konzentriertes H₂SO₄ bei moderaten Temperaturen. Legierung 28 ist in Phosphorsäure-, Sauergas- (H₂S/CO₂/Cl⁻) und chloridreichen Umgebungen überlegen. Beides wird nicht für den Einsatz mit Salzsäure (HCl) empfohlen.

Schwefelsäure (H₂SO₄)

• Mechanismus: Kupfer in Legierung 20 bildet schützende Passivfilme vom Typ Cu₂S-, die dem Angriff von Schwefelsäure wirksamer widerstehen als Chrom-Molybdänfilme allein.
• Temperaturgrenze: Beide Legierungen sind grundsätzlich begrenzt<50–60°C in sulfuric acid. Above this, expensive nickel alloys (Alloy 625, Alloy 825) are required.
• Hauptvorteil von Alloy 20: Der Kupferzusatz (3–4 %) verbessert gezielt die Beständigkeit gegenüber reduzierenden Säurebedingungen wie Schwefelsäure.

Phosphorsäure (H₃PO₄)

• Alloy 28 wurde speziell für die Nassproduktion von Phosphorsäure entwickelt, bei der Fluorid- und Chloridverunreinigungen dazu führen, dass herkömmliche rostfreie Stähle schnell versagen.
• Forschung (Springer, 2024): Legierung 28 in 52 % P₂O₅-Phosphorsäure mit Oxidationsmitteln zeigte negative Korrosionsraten (Gewichtszunahme durch passive Filmbildung), was eine ausgezeichnete Passivität bestätigt.
• Mo-Gehalt (3,5 %): Entscheidend für die Beständigkeit gegen Phosphorsäure mit F⁻/Cl⁻-Verunreinigungen, die passive Filme aggressiv angreifen.

Sauergas- und Ölfeldumgebungen (H₂S/CO₂/Cl⁻)

Alloy 28 ist für Sauergasanwendungen aufgrund des höheren Cr- und Mo-Gehalts mit einem PREN von ~36,5 im Vergleich zu Alloy 20 mit ~28,5 deutlich überlegen. In H₂S/CO₂/Cl⁻-Umgebungen ist Alloy 28 die Standardwahl für OCTG (Oil Country Tubular Goods) und Wärmetauscher.

• Anwendung der Legierung 28: Produktionsrohre (OCTG) und Wärmetauscher in sauren Öl- und Gasfeldern mit hohem H₂S/CO₂/Cl⁻-Gehalt.
• Mechanismus der Legierung 28: Hoher Cr-Gehalt bildet einen stabilen passiven Cr₂O₃-Film; Hoher Mo-Gehalt bildet eine MoO₂-Schutzschicht, die gegen Chloridangriff unter H₂S beständig ist.
• NACE MR0175/ISO 15156: Beide Legierungen sind möglicherweise für den sauren Einsatz gelistet, aber die breitere Akzeptanz von Legierung 28 ist auf das überlegene PREN zurückzuführen.

Lochfraß und Spaltkorrosion

Was keine der beiden Legierungen gut verträgt

• Salzsäure (HCl): Weder Alloy 20 noch Alloy 28 werden für HCl-Anwendungen empfohlen. Verwenden Sie Legierung B (N10001) oder Legierung 400.
• High-Temperature (>450 Grad) Oxidierende Umgebungen: Beide Legierungen verlieren an Korrosionsbeständigkeit; Erwägen Sie Alloy 625 oder Alloy 800H.
• Königswasser (HNO₃ + HCl): Keine der beiden Sorten bietet eine ausreichende Beständigkeit.

Schweißbarkeit und Fertigung

Beide Legierungen sind mit Standardverfahren für austenitischen Edelstahl gut schweißbar. Legierung 20 erfordert Niob-stabilisierten Füllstoff (ERNiCrMo-3) für einen optimalen Hochtemperaturbetrieb, während Legierung 28 ERNiCrMo-3 oder ER316L-Füllstoff verwendet. Beides erfordert kein Vorheizen.

Schweißspezifikationen für Legierung 20

• Empfohlen werden die Elektroden AWS A5.14 ERNiCrMo-3 oder AWS A5.11 ENiCrMo-3.
• Niob im Zusatzwerkstoff stabilisiert das Schweißgut gegen Sensibilisierung.
• Lösungsglühen nach dem Schweißen: 900–1150 Grad für 1–2 Stunden, schnelles Abschrecken mit Luft oder Wasser.
• Bei Verwendung des richtigen Zusatzwerkstoffes entspricht die Zusammensetzung des Schweißgutes dem Grundwerkstoff.

Schweißspezifikationen für Legierung 28

• ERNiCrMo-3: Bevorzugt für Schweißnähte mit hoher-Korrosion (H₂S/Cl⁻-Umgebungen).
• ER316L: Geeignet für Standard-Säureanwendungen; sorgt für entsprechende Korrosionsbeständigkeit.
• Lösungsglühen: 1100 Grad ist sowohl für die mechanischen Eigenschaften als auch für die Korrosionsbeständigkeit optimal (durch Untersuchungen-bestätigt).
• Der extrem niedrige Kohlenstoffgehalt (weniger als oder gleich 0,03 %) bedeutet, dass selbst in der Hitzeeinflusszone (HAZ) kein Sensibilisierungsrisiko besteht.

Kosten und Marktverfügbarkeit

Legierung 28 ist aufgrund des höheren Chrom- und Molybdängehalts im Allgemeinen 10–25 % teurer als Legierung 20. Bei Phosphorsäure- und Sauergasanwendungen führt die überlegene Korrosionsbeständigkeit von Alloy 28 jedoch zu geringeren Gesamtlebenszykluskosten durch längere Gerätelebensdauer und geringere Wartung.

Wenn die höheren Kosten der Legierung 28 gerechtfertigt sind

• Phosphorsäure mit Fluorid-/Chloridverunreinigungen: Legierung 20 wird beschleunigt angegriffen; Alloy 28 hält deutlich länger.
• Sauergas mit hohem H₂S/CO₂/Cl⁻: OCTG- und Bohrlochkopfausfälle mit Alloy 20 würden die Materialkosteneinsparungen bei weitem übersteigen.
• Seewasserbetrieb: PREN ~28,5 von Alloy 20 ist unzureichend; Legierung 28 (PREN ~36,5) bietet zuverlässige Dienste.

Zusammenfassung des Kurzreferenzvergleichs

Abschluss

Die Entscheidung zwischen Alloy 20 und Alloy 28 hängt im Wesentlichen vom dominanten korrosiven Medium in der Anwendung ab. Bei beiden handelt es sich um superaustenitische Edelstähle mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung sind sie optimal für unterschiedliche Betriebsumgebungen geeignet:

Legierung 20(N08020, 0Cr20Ni35Mo3Cu4Nb) ist der Schwefelsäurespezialist. Sein Kupferzusatz von 3–4 % erzeugt einen einzigartigen passiven Filmwiderstand gegen H₂SO₄, den Alloy 28 nicht erreichen kann. Alloy 20 wurde speziell für chemische Verarbeitungsanwendungen mit Schwefelsäure, gemischten Säuren und Säurereinigung entwickelt und bleibt der technische Standard für H₂SO₄-Anwendungen unter 50 Grad. Verwenden Sie es, wenn in Ihrem Prozess Schwefelsäure vorherrscht-und die Wirtschaftlichkeit eine Kupfer--haltige superaustenitische Legierung gegenüber einer Nickel--basierten Legierung bevorzugt.

Legierung 28(N08028, 00Cr27Ni31Mo3Cu) ist der Champion im Bereich Phosphorsäure und Sauergas. Seine 26–28 % Chrom und 3,5 % Molybdän sorgen für einen PREN von ~36,5 und bieten eine wesentlich bessere Loch- und Spaltkorrosionsbeständigkeit als Alloy 20. Ursprünglich entwickelt, um Ausfälle von Phosphorsäure-Wärmetauschern in Nassprozessen zu beheben, ist Alloy 28 seitdem zum Standard für die Produktion saurer Öle und Gase (H₂S/CO₂/Cl⁻), die Meerwasserversorgung und REA-Systeme geworden. Verwenden Sie es, wenn die Gefahr durch mit Halogenid- verunreinigte Phosphorsäure, saures Gas oder in einer Umgebung besteht, in der ein hoher PREN und eine Beständigkeit gegen örtliche Korrosion die Lebensdauer der Ausrüstung bestimmen.

Für Beschaffungsingenieure: Vergleichen Sie -die primäre Korrosionsgefahr und die maximale Betriebstemperatur mit den obigen Vergleichstabellen. Für Prozessingenieure: Bestätigen Sie, dass die ausgewählte Legierung im spezifischen Säurekonzentrations-, Temperatur- und Verunreinigungsprofil Ihres Prozessstroms getestet wurde. Im Zweifelsfall konsultieren Sie die Legierungsdatenblätter und die NACE/ASME BPVC-Richtlinien für die relevanten Betriebsbedingungen.