金属腐蚀与防护10.

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（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《CrosionDataSurvey》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＜20mpy20mpy20~50mpy50mpy硫酸%G.A.Nelson归纳腐蚀数据的方格图800温700度600ºC50040030021217512575铅介质浓度%温度ºc255080100120150硝酸3040~60708090100－－－－X－－X－X－－x－x《左景伊腐蚀数据手册》（铬18镍9不锈钢）图例－优良速度＜0.05mm/y良好腐蚀速度0.05~0.5mm/y可用,但腐蚀较重腐蚀速度0.5~1.5mm/yX不适用，腐蚀严重腐蚀速度1.5mm/y20406080100水中的浓度%醋酸B氯丁橡胶ºC10066210图推荐使用可能有问题例不推荐oFA＜1个月212暴露时间：B＜6个月C＜12个月150D＞12个月足注41推荐使用42不推荐9055可能有问题50增重7060冰醋酸相同6185％18无水32E.Hamner归纳非金属材料耐蚀数据的条线图41C501861《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325275225175125756065707580859095100105110H2SO4%200mpy20050~200mpy5020~50mpy205~20mpy50~5mpy温度0C0102030405060708090100硫酸%温400度ºC35025020015010050Dur高硅铁D－20Durimet20合金C2高镍钼合金C3高镍相铬合金线Dur曲点沸pbDurpbC2DurC2DurC3pbC2C3D-20DurDurD-20C2C3pbC2C3D-20DurFepbD-20C2C3Dur除pb以外其他合金硫酸的简单选材图(腐蚀速度≼20mpy)在此区沸点下不可使用哈氏合金B及D奈尔逊(Nelson)制作20406080100103.5H₂so₄%温600度ºC500400300200100沸点曲线10123458976硫酸的选材图（腐蚀速度小于20mpy）Nelson硫酸选材图中各区合用的材料(包括金属,非金属)1区10%铝青铜(不含空气)，IlliumG镍铬（铜铁铁)合金。哈氏合金B及D、Durimet20合金、Worthile铁镍铬合金、铅,铜(不含空气）潆乃尔合（不含空气）、钽、金、铂、银、锆、Nilonel镍铁铬合金、钨、钼,3.6型不锈钢铁(充气，浓度到10%)。玻璃，酚醛（石棉)塑料，橡胶（到时170ºF止）、不透性石墨2区高硅铁，哈氏合金B及D.Durimet20合金(到150ºF止),铅,铜(不含空气),Worthite铁镍铬合金(到150ºF止)，蒙乃尔合金(不含空气)10%铝青铜(不含空气).镍铸铁(20%以下75ºF)钽,金,银,铂,锆,Nionel镍铁笱合金，钨,钼,316型不锈钢(含空气，75ºF,到25%)玻璃，酚醛(石棉)，塑料，橡胶(到170ºF止)不透性石墨3区高硅铁，哈氏合金B及D,Durimet20合金(到150ºF止)，铅,Worthile铁镍铬保金.蒙乃尔合金(不含空气)，钽,金,铂,锆,钼,玻璃,不透性石墨4区钢、高硅铁、哈氏合金B及D.铅(到96%浓度),Durimet20合金,Worthite铁镍铬合金，镍铸铁,316型不锈钢(浓度80%以上)，钽,金,铂,锆,玻璃，不透性石墨(浓度96%以下)5区高硅铁，哈氏合金B及D,Durimet20合金(到150ºF止)，Worthite铁镍铬合金(到150ºF止)铅(至175ºF及96%)浓度.钽,金,铂,玻璃，不透性石墨(到175ºF,浓度96%)6区高硅铁，哈氏合金B及D(腐蚀速度20-50mpy),钽,金,铂,玻璃7区高硅铁,钽,金,铂,玻璃8区钢,18-8型不锈钢，Durimet20合金,Worthite铁镍铬合金,哈氏合金c,金,铂,玻璃9区18-8型不锈钢,Durimet20合金,Worthite铁镍铬合金,金铂,玻璃10区金.铂.玻璃（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。Ⅱ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、机械性能材料性能低碳钢高硅铸铁低合金钢铅塑料硬pvc工业耐酸瓷不透性石墨环氧玻璃钢机械性能抗拉强度公斤／毫米²38－486－12751.2－2.33.5－6.32.8－5.50.7－2.58－12伸长率％25－350＞1535－505－151－6冲击韧性公斤厘米/厘米²＞150＜0.12.8－3.2140－350加工性能良好只宜铸造良好不良可焊易加工硬而脆易机加工，不可焊，可粘良好（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30～40%。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。●高硅铸铁当铸铁中硅的含量达到14～17%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(3.5~4.0%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，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、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Cr18Ni8~10。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Cr18~27%、Ni4~8%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。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，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