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1、第十章 防腐蚀设计,耐蚀材料选择,选材的依据,耐蚀材料评价,主要金属材料简介,主要非金属材料简介,结构设计,腐蚀控制对结构设计的一般要求,防腐蚀结构设计的若干细则,应力影响和强度设计,应力对腐蚀的影响,消除残余应力影响的措施,设计是设备制造过程的第一个最重要环节。所谓防腐蚀设计，包括耐蚀材料选择(主体设备、零部件、覆层材料)，在结构设计和强度校核中考虑腐蚀控制的要求，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,1.1 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
2、 （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）一般环境条件：介质种类、浓度、 温度、压力、流速、充气等 （2）实际环境条件：原料和工艺水中的 杂质 ；设备局部区域(如缝隙、死 角)内介质的浓缩、杂质的富集、 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,返回,1.2 耐蚀材料评价,耐蚀性 I 腐蚀数据的获得 Crosion Data Survey手册，其中 金属分册包括26种金属和合金 在1196种腐蚀介质中
3、的腐蚀数据。 非金属分册包括36种非金属材料 在803种腐蚀性溶液和气体中的腐蚀数据。,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,左景伊腐蚀数据手册 （铬18镍9不锈钢）,图例 优良 速度0.05 mm/y 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,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
4、例 不推荐 oF 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 材料耐蚀数据的条线图,41,C 50,18,61,腐蚀图和选材图 （见下面三页）,腐蚀试验 实验室试验 现场挂片试验 实物试验,钢在硫酸中的腐蚀图,325 275 225 175 125 75,60 65 70 75 8 0 85 90 95 100 105 110 H2SO4 %,200 mpy,200,50200 mpy,50,2050 mpy,20
5、,520 mpy,5,05 mpy,温 度 0C,0 10 20 30 40 5 0 60 70 80 90 100 硫酸 %,温 400 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,硫酸的简单选材图 (腐蚀速度20 mpy),在此区沸点下不可使用哈氏合金
6、B及D,奈尔逊 (Nelson) 制作,20 40 60 80 100 103.5 Hso%,温 600 度 C 500 400 300 200 100,沸点 曲线,10,1,2,3,4,5,8,9,7,6,硫酸的选材图 （腐蚀速度小于20mpy）,（3）不同材料组合时要考虑材料的相容性。,（4）重视设备使用经验，积累腐蚀数据、案例，特 别是设备腐蚀破坏事故的有关资料。, 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。 （2）要考虑材料优点，更要注意材料弱点和腐蚀问题。,物理、机械和加工性能,（1）物理性能：密度、传热性、导电性、膨胀系数等。 机
7、械性能：强度、塑性、韧性等。 加工性能：铸造、切削、焊接性能等。,几种材料的处理、机械性能,（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。根据具体情况 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；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,（1）目标是工程投资最少，回收年限最短。 （2）腐蚀控制的费用应当低于腐蚀造成的 经济损失，包括直接损失和间接损失。 （3）在实际选材工作中，材料来源和交货 时间起着重
8、要的作用。, 选材的一些基本原则,（1）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的要求，因此应根据不同设备 正确处理技术性和经济性之间的关系。 （2）将两种材料复合使用是一种有效而经济的方法。 （3）所选材料应满足整合装置的预定寿命，同时应使装 置中各部分的材料均匀劣化 。,返回,1.3 主要金属材料简介, 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，在潮湿大气和中性水中均不 耐蚀。在酸溶液中钢铁是不能使用的。但在浓硫酸 中可以使用碳钢，但要防止浓硫酸
9、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(低于3%)而制得的，其优点是改善钢材的强 度、韧性、塑性，加工工艺性能也较好，成本低。 所以多数普低钢的耐蚀性能和碳钢相差不多，但 特殊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（16MnCu， 9MnCuPTi，10PCuRe）。腐蚀速度比低碳钢低3040%。 原因略,2)耐H2S腐蚀低合金钢,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1
10、2AlMoV、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。我国的抗氢腐蚀低合金钢是加入铌、钒、钛、钼等元素，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，主要研制了 铜系、磷钒系、磷铌稀土系、铬铝系。 如10MnPNbRe，08PV，10CrAlNb钢等
11、。, 高硅铸铁,当铸铁中硅的含量达到1417%时，称为高硅铸铁。 优点：高硅铸铁在氧化性、中性及某些非氧化性酸中均有优良的耐蚀性能(硝酸、硫酸、硫酸盐)；耐磨损腐蚀性能也很好；硅钼铸铁(3.54.0%Mo)，耐高温盐酸性能。原因：生成致密SiO2保护膜，且膜修复能力强。 缺点：物理、机械和加工性能差，硬度大，质地脆，强度低，膨胀系数大；加工困难。 应用：管道(件)、泵、阀门、塔节(铸造形式), 不锈耐酸钢,不锈钢分为马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体铁素体双相、沉淀硬化型钢五大类(金相组织)。 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)，铬含量愈高，
12、抗蚀愈强。铬不锈钢在氧化性环境中的耐蚀性，其表面易形成致密氧化物(钝化)膜。 缺点：易发生局部腐蚀,特别是应力腐蚀(占50%),1)马氏体不锈钢,马氏体不锈钢是指具有马氏体组织的铬不锈钢，其碳含量较高（2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18），含碳量增加，钢的强度、硬度、耐磨性提高，而耐蚀性下降，因此主要用于制造要求高硬度部件(耐磨零件、弹性元件、切削工具),以及在弱腐蚀性介质中使用。,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。作为耐氯化物应力腐蚀破裂的不锈钢种类得到迅速发展(比铬镍奥氏体不锈钢好)。但普通铁素体不锈钢机械性能较低，冲击韧性差，对晶间腐蚀、孔蚀、
13、缝隙腐蚀敏感性较高。而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 。 高温强度、热塑性、冷变形能力、可焊性都非常好，但导热性、冷加工较差、有粘滞现象。 耐蚀性较铬不锈钢高（氧化性，中性，弱氧化性介质）。缺点：局部腐蚀（晶间腐蚀，孔蚀，缝隙腐蚀，应力腐蚀破裂）。 抗局部腐蚀手段：提高Cr和Ni含量，或加入合金元素(Mo,Cu,Si,Ti或Nb)，或降低含碳量。,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
14、不同分别加入Mn、N、Si、Cu、Ti等元素而形成的新型不锈钢。 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。,5）沉淀硬化型不锈钢,为了既能保持奥氏体不锈钢优良的焊接性能，又具有马氏体不锈钢的高强度，发展沉淀硬化型(PH)不锈钢是途径之一。 它是在最终形成马氏体后，经过时效处理析出碳化物和金属间化合物产生沉淀硬化。这类钢具有很高强度，如17-4PH, 其屈服强度可达1290MPa。耐蚀性和一般不锈钢相同 。,不锈钢的合理选择和正确使用,不锈钢的品种和牌号很多，而耐蚀性相近
15、，不同的是机械性能和加工性能。必须指出，不锈钢不是万能的，各类不锈钢的耐蚀性有其自身的特点。 因此，根据设备的具体环境条件进行合理选择。应特别注意局部腐蚀问题。, 耐热钢,高温高压下工作的设备(裂解炉,转化炉,锅炉,蒸汽轮机,热交换器),必须使用耐热钢(合金)。 耐热钢，是指铁含量超过一半的合金。以铁为主，合金元素总量超过50%的合金称为铁基耐热合金。以镍为主或以钴为主的合金则分别称为镍基耐热合金和钴基耐热合金。耐热钢要求：优良的高温力学性能(热强性、抗蠕变性)和抗高温氧化性能。, 有色金属,（1）铝 铝是活泼金属，但钝化倾向大，在很多介质中生成保护性的表面氧化膜（钝化膜）。该膜致密，与基体结合牢固，且自行修复能力强。例如：铝在稀硫酸和发烟硫酸中稳定，在大于80%硝酸中，铝的耐蚀性优于188型不锈钢。 铝可能发生晶间腐蚀、应力腐蚀。铝的比重小，熔点低，导热性和导电性好。强度低，焊接性和铸造性差，使用温度不高。,（2）钛,钛是活泼金属，其钝化
