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1、第十章 防腐蚀设计,设计是设备制造过程的第一个环节，也是 最重要的环节。所谓防腐蚀设计，包括耐 蚀材料选择(主体设备材料、零部件材料、 覆层材料)，在设备结构设计和强度校核中 考虑腐蚀控制的要求，在设计中为准备采 用的防护技术(如覆盖层)提供必要的实施条 件，对加工制造技术提出指示性意见等。,1. 耐蚀材料选择,选择的依据 设备 （1）设备的用途 （2）加工要求和加工量 （3）设备在整个装置中所占的地位，以及各设备之间的相互影响 （4）是否易于检查、修理或更换 （5）计划的使用寿命,腐蚀环境,（1）介质的种类、浓度、温度、压力、流速、充气情况等 （2）原料和工艺水中的杂质 ； 设备局部区域(如
2、缝隙、死角)内介质的 浓缩、杂质的富集、以及可能的局部过热或局部温度偏低； 介质条件变化的幅度 等。,腐蚀影响,(1) 可能发生的腐蚀类型 (2) 对全面腐蚀有良好耐蚀性的材料，如不锈钢，要特别注意可能发生的局部腐蚀问题。 (3) 腐蚀破坏的后果,耐蚀材料评价,耐蚀性 腐蚀数据的获得 腐蚀数据手册 Crosion Data Survey，开始由Nelson编篡， 1975年由美国全国腐蚀工程师协会(NACE)出第5 版，由Hammer编篡，分为金属材料分册和非金 属材料分册。1985年金属材料分册出了第6版。 金属分册包括26种金属和合金在1196种腐蚀介质 中的腐蚀数据。非金属分册包括36种
3、非金属材料 在803种腐蚀性溶液和气体中的腐蚀数据。,选材,图例 符号 腐蚀速度 20mpy 50mpy,硫酸% G.A.Nelson 归纳腐蚀数据的方格图,800 温 700 度 600 C 500 400 300 212 175 125 75,铅,选材,左景伊总结腐蚀数括的表格 铬18镍9不锈钢,图 优良 速度0.05 mm/y 例 良好 腐蚀速度0.050.5 mm/y 可用，但腐蚀较重 腐蚀速度 0.51.5 mm/y x不适用，腐蚀严重 腐蚀速度1.5 mm/y,选材,20 40 60 80 100 水中的浓度%,C 100 66 21 0,图 推荐使用 可能有问题 例 不推荐 oF
4、 A1个月 212 暴露时间： B6个月 C12个月 150 D12个月 足注 41 推荐使用 42 不推荐 90 55 可能有问题 50 增重 70 60 冰醋酸相同 61 85 18 无水 32 E.Hamner归纳非金属 材料耐蚀能数据的条线图,41,C 50,18,61, 腐蚀图和选材图, 腐蚀试验 腐蚀试验包括实验室试验，现场挂片 试验和实物试验三大类。 *耐蚀性评价中应注意的几个问题 （1）任何时候，任何情况下都不要假定或推测材料的使用环境条件，不要在“可能”、“大概”的前提下去选择材料。 （2）既要考虑材料的优点，更要注意材料的弱点和可能发生的腐蚀问题。,（3）使用不同材料组合时
5、，要考虑材 料之间的相容性。,（4）要十分重视设备实际使用经验，积累腐蚀数据、案例，特别是设备腐蚀破坏事故的有关资料。将试验结果和实际使用经验结合起来，可以为评价材料耐蚀性提供最可靠的依据。,选材,钢,温 325 度 C 275 225 175 125 75,60 65 70 75 8 0 85 90 95 100 105 110 钢在硫酸中的腐蚀速度,200 mpy,200,50200 mpy,50,2050 mpy,20,520 mpy,5,05 mpy,选材,0 10 20 30 40 5 0 60 70 80 90 100 硫酸 % 硫酸的简单选材图 (按腐蚀速度20 mpy),温 4
6、00 度 C 350 250 200 150 100 50,Dur高硅铁 D20 Durimet 20 合金 C2 高镍钼合金 C3 高镍相铬合金,线,Dur,曲,点,沸,pb,Dur,pb C2 Dur,c2,Dur,C3,pb C2 C3 D-20 Dur,Dur,D-20,C2,C3,pb C2 C3 D-20 Dur,Fe pb D-20,C2 C3 Dur,除pb以外 其他合金,选材,在此区沸点下不可使用哈氏合金B及D,奈尔逊 (Nelson) 制作的 硫酸,20 40 60 80 100 103.5 Hso%,温 600 度 C 500 400 300 200 100,沸点 曲线,
7、材 图 按 腐 蚀 速 度 不 于 20(mpy),10,1,2,3,4,5,8,9,7,6,选材,物理、机械和加工性能,物理性能：密度、传热性、导电性 热膨胀系数等。 机械性能：强度、塑性、韧性、等。 加工性能：铸造、切削、焊接性能 等。,选材,几种材料的处理、机械性能（一）,选材,几种材料的处理、机械性能（二）,（2）材料的耐蚀性和物理、机械、加工性能是材料技术指标的两个方面。,这两个方面往往存在矛盾。在耐蚀性和物理、机 械、加工性能不能同时满足时，就要根据设备具 体情况有所偏重。或者以耐蚀性为主，对材料物 理、机械、加工性能的不足，采取适当措施进行 弥补，并制定符合材料性能特点的使用规程
8、；或 者以物理、机械、加工性能为主，而对材料实施 有效的防护技术，以保证其腐蚀速度达到要求的 水平。,经济指标,经济指标总的目标是工程投资最少，回收年限最短。 腐蚀控制的费用自然应当低于腐蚀造成的经济损失，包括直接损失和间接损失，而间接损失往往比直接损失大得多 。 在实际选材工作中，材料来源和交货时间起着重要的作用。,选材的一些基本原则,单一材料往往难以同时满足耐蚀性、物理、机械、加工性能和经济指标几个方面的要求，因此应根据不同设备的具体情况，正确处理技术性和经济性之间的关系。 将两种材料复合使用是一种有效而经济的方法，得到了广泛的应用。 所选材料自然应满足整合装置的预定寿命，同时应使装置中各
9、部分的材料均匀劣化 。,主要的金属材料简介,碳钢和铸铁 碳钢和铸铁来源广、价格低。碳钢强度大、塑性 好、可铸、可锻、可切削加工、可焊接，制造容 易。所以，碳钢和铸铁广泛用作结构材料， 碳钢和铸铁的耐蚀性较差，在潮湿大气和水中均 不耐蚀，很快就生锈。在中性水溶液中碳钢和铸 铁的腐蚀与水溶液中所含溶解氧有密切关系。 在酸溶液中钢铁是不能使用的。在浓硫酸中可以 使用碳钢，但要防止浓硫酸吸水稀释，故适用于 制作密闭容器和输送管道。,普通低合金钢,普通低合金钢是在碳素钢中加入少量合金 元素(总量一般低于3%)而制得的，其优点 是钢材的强度、韧性、塑性得到明显改善， 具有良好的综合性能，加工工艺性能也较
10、好，而且成本低。 一般说来，由于合金元素含量低于1/8，所 以多数普低钢的耐蚀性能和碳钢相差不多， 但也有一些普低钢种类在一定的使用环境 中耐蚀性大大优于碳钢。,(1)耐大气腐蚀低合金钢,含有铜、磷、铬等有效合金元素。含少量铜(0.2 0.5%)的低合金钢在各种类型大气中都有良好的 耐蚀性能；如果和磷很好地配合，在潮湿气候条 件下耐大气腐蚀性能可以更好地发挥。 我国发展的16MnCu，09MnCuPTi，10PCuRe等 低合金钢，大气嚗晒试验表明，腐蚀速度比低碳 钢低3040%。耐蚀性能改善的原因，是由于对 表面不同元素的选择性浸蚀，生成了一层致密的 、附着力好的腐蚀产物膜。,(2)耐H2S
11、腐蚀低合金钢,为了得到耐H2S腐蚀的低合金钢，一是加入 钼、铌、钒、钛等碳化物形成元素，以减 少固溶体中的碳量；二是采用精练技术以 降低硫、磷等有害杂质；三是进行回火处 理，以获取马氏体高温回火组织。 其中12AlMoV、12Cr2MoAlV、40B等耐硫 化氢腐蚀破坏性能较好。,(3)耐氢氮氨腐蚀的低合金钢,合成氨系统和石油加氢系统中的设备材料处于高 温高压氢腐蚀或高温高压氢氮氨腐蚀条件，后者 除渗氢引起的鼓泡、开裂以外，还有渗氮引起的 材料脆化。 我国发展的抗氢腐蚀低合金钢和抗氢氮氨低合金 钢，是加入铌、钒、钛、钼等合金元素，以生成 稳定的碳化物和氮化物，减少因氢和碳反应生成 甲烷而造成的
12、脱碳和腐蚀问题。 如10MoWVNb钢。,(4)耐海水腐蚀低合金钢,有效的合金元素有硅、铜、磷、钼、锰、 铬、铝、镍、钨、钛等。 我国发展耐海水腐蚀低合金钢较晚，主要 是结合资源特点研制了铜系、磷钒系、磷 铌稀土系、铬铝系。如10MnPNbRe，08PV ，10CrAlNb钢等。,高硅铸铁,当铸铁中硅的含量达到1417%时，称为高硅铸 铁。高硅铸铁在氧化性、中性以及某些非氧化性酸中均有优良的耐蚀性能。在任何浓度和温度的硝酸，任何浓度的硫酸、硫酸盐等介质中，腐蚀速度都很低。耐磨损腐蚀性能也很好，易生成致密的SiO2保护膜，且膜的修复能力很强。加入3.5 4.0%Mo，可显著提高高硅铸铁耐高温盐酸
13、性能(称为硅钼铸铁) 。 高硅铸铁的缺点是物理、机械和加工性能差，硬度大，质地脆，强度低，热膨胀系数大，不耐温度急变；加工困难，故主要用于铸造形式的管道、管件、泵、阀门、塔节等。,不锈耐酸钢,金相组织，不锈钢可分为马氏体钢、铁素体钢、 奥氏体钢，奥氏体铁素体双相钢、沉淀硬化型钢五大类。 铬是使不锈钢获得优良耐蚀性的主要合金元素，所有不锈钢的含铬量都大于13%(原子分数1/8)。铬的含量愈高，钢对于氧化性介质和高温氧化的抵抗力愈强。铬不锈钢在氧化性环境中的优良耐蚀性来源于表面形成的致密氧化物膜，使金属材料处于钝化状态。加入镍、铜、钼可以改善不锈钢对弱氧化性介质和非氧化性介质的耐蚀性能，扩大其应用
14、范围。,(1)马氏体不锈钢,马氏体不锈钢是指在室温下具有马氏体组织的铬不锈钢，其碳含量较高，如2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18等，随钢中含碳量增加，钢的强度、硬度、耐磨性显著提高，而耐蚀性下降，因此主要用于制造要求高硬度的部件，如耐磨零件、弹性元件、切削工具，以及在弱腐蚀性介质中使用、要求较高机械性能的器械和零部件。,(2)铁素体不锈钢,含铬量在18 30%范围内的铬不锈钢为铁素体钢。 铁素体不锈钢耐氯化物应力腐蚀破裂性能较铬镍奥氏体不锈钢好，因而作为耐氯化物应力腐蚀破裂的不锈钢种类得到迅速发展。但普通铁素体不锈钢机械性能较低，冲击韧性差，缺口敏感性高，因此应用受到限制。普通铁素
15、体不锈钢对晶间腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀敏感性较高。 高纯高铬铁素体不锈钢如E-Brite26-1具有优异的耐蚀性，特别是优异的耐应力腐蚀破裂，耐孔蚀和缝隙腐蚀，耐晶间腐蚀性能。,（3）奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢的基本型是Cr18Ni810 。 奥氏体不锈钢的高温强度较高，而热塑性很好， 冷变形能力也非常好，可焊性也优于其他组织的 不锈钢。但其导热性较差，切削时有粘滞现象， 容易产生冷加工硬化。 奥氏体不锈钢在氧化性，中性，弱氧化性介质中 耐蚀性较铬不锈钢高。奥氏体不锈钢的最大问题 是局部腐蚀，包括晶间腐蚀，孔蚀，缝隙腐蚀， 应力腐蚀破裂。为了提高奥氏体不锈钢抗局部腐 蚀性能，一是提高Cr和Ni的含量，二是加入合金 元素Mo、Cu、Si、Ti(或Nb)等，三是降低含碳量。,（4）铁素体奥氏体双相不锈钢,铁素体奥氏体双相不锈钢是在Cr1827% 、Ni48%的基础上，随用途不同分别加入 Mn、N、Si、Cu、Ti等元素而形成的新型 不锈钢。这类不锈钢不仅具有强度高(0.2 约为奥氏体不锈钢的2倍)、导热系数大、 膨胀系数小的特点；而且抗氯化物应力腐蚀性能、抗孔蚀和晶间腐蚀性能优于奥氏体不锈钢，因此近些年得到了迅速的发展。,
