PTA装置不锈钢材料腐蚀磨损的探讨

PTA装置不锈钢材料腐蚀磨损的探讨侯峰1徐宏1许林云2谭晓勇1刘阿龙1(1．华东理工大学化工机械研究所，上海200237：2．扬子石油化工股份有限公司，江苏南京210048)摘要：采用自制的实验装置，模拟PTA生产装置中回转式干燥机蒸汽列管工作条件．对奥氏体不锈钢0crl8Ni9(304)、OOcrl7Nil4M02(316L)、00Crl9Nil3M03(317L)和双相不锈钢00Cr22Ni5Mo3N(2205)在含有溴离子和对苯二甲酸颗粒的醋酸介质中，进行腐蚀磨损性能研究一结果表明，4种不锈钢的腐蚀磨损速率随着腐蚀介质温度的升高而增加；在低温时。腐蚀磨损速率差别不大；当温度超过80℃以后，腐蚀磨损性能的差异变大，其中2205的耐腐蚀磨损性能最好，其次为317L．316L，而304则最差。相同条件下，腐蚀磨损速率大于均匀腐蚀速率：建议用2205代替316L制作PT土回转蒸汽管干燥机的加热列管。关键词：精对苯二甲酸干燥机蒸汽列管腐蚀磨损速率均匀腐蚀速率中图分类号：TQ245．12；TQ0518文献识别码：A文章编号：1001-004l(2005)06-0034-03以对二甲苯为原料的液相空气氧化法生产精对苯二甲酸(PTA)工艺路线温度高、压力大，且含溴离子的浓醋酸在充分曝气的条件下，腐蚀性比较强，因此设备用材级别较高。扬子石油化工股份有限公司(简称扬子石化公司)化工厂PTA装置有3台氧化回转式干燥机用于干燥对苯二甲酸(TA)滤饼，由于回转式干燥机蒸汽列管等不锈钢内构件在工作过程中不断受到TA料的冲刷磨损[1，2]，而且TA料中含有一定的醋酸溶剂，且含有溴离子，因而干燥机内蒸汽列管等不锈钢内构件[材料为奥氏体不锈钢00Crl7Ni4Mo2(316L)]发生了较严重的腐蚀磨损，造成加热管减薄，最终导致泄漏。作者采用自制实验装置模拟干燥机加热管的工作条件，对奥氏体不锈钢OCrl8Ni9(304)，316L，OOCrl9Nil3M03(317L)和双相不锈钢00Cr22Ni5M03N(2205)在含溴离子和TA颗粒的醋酸介质中的腐蚀磨损性能进行实验研究，以便合理用材。1实验1．1试样及腐蚀介质实验用304，316L，317L和22054种材料均取自扬子石化公司PTA装置板材，为进口不锈钢材料，化学成分实测值如表1所示。实验采用板状试样，外形尺寸为：53mm×7mm×2mm，逐级打磨至粗糙度为1．6，用丙酮清洗后干燥、称重。实验所用腐蚀介质为取自PTA装置TA工段的母液与TA粉料配制而成。介质的组成如下：H2O，TA,Co,Mn,Br-,HAc,其质量分数分别为4.7%，26.2%，0.66%，0.96%，67.11%。1．2实验方法自制实验装置如图1所示[3，4]，可以通过调节转速来控制试样的线速度。容器外面采用恒温槽加热以维持恒定的实验温度。将试样用螺栓固定在旋转支架上，转速为300r／min，试样的线速度为1．7m／s，试验时间为48h。图l腐蚀磨损试验装置示意图Fig．1Diagramofcorrosiveweartestapparatus1转轴；2．支架；3．试样；4腐蚀介质采用失重法计算材料的腐蚀磨损速率。用扫描电镜观察试样表面形貌。参照CBl0214—88金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，用浸泡法测定不锈钢材料在腐蚀介质中不同温度条件下的均匀腐蚀速率。2结果与讨论2．1温度对材料腐蚀磨损速率的影响从图2可知，温度较低时，4种材料的腐蚀磨损速率均很小，随着腐蚀介质温度的升高，4种不锈钢的腐蚀磨损速率增加，这是由于温度越高，钝化膜溶解加快，腐蚀加速。当介质温度超过80°C时，腐蚀磨损速率突然大幅度增加，这说明4种材料的腐蚀磨损速率存在着一个临界温度，当超过这个临界温度时，腐蚀磨损速率会急剧加大。在此临界温度下，304的腐蚀磨损速率最高，其次是316L和317L，而2205的腐蚀磨损速率最低。在110℃时，304的腐蚀磨损速率高达5．59mm/a，说明这种材料耐高温腐蚀磨损的性能很差，而2205在高温时腐蚀磨损速率仍较低，316L和317L耐腐蚀磨损的性能明显高于304，但低于2205。图2试样在不同温度下的腐蚀磨损速率Fig.2Variationofcorrosionwearrateatdifferenttempemturesforsamples1．304；2．316L；3317L；42205双相不锈钢2205的耐腐蚀磨损性能明显优于其他3种材料。这主要是因为2205在运动过程中表面的加工硬化能力强。双相不锈钢2205含Ni量低，面心立方γ相的层错能低，属亚稳态奥氏体结构，在表面剪切力作用下产生大量的位错增殖，故形变强化能力强。体心立方α相的强化趋势低，在形变过程中有缓冲作用，能抑制裂纹的扩展，使被磨损的材料表面在宏观上表现为外强内韧，从而表现出较好的耐磨性。单纯的奥氏体不锈钢，虽然同属面心立方结构，但由于其含Ni量高，所以γ相稳定性增加，层错能也上升，较之含亚稳态γ相的双相不锈钢，其形变强化能力大大下降。在磨损过程中从表层到亚表层硬度变化曲线过陡，使之易于萌生裂纹而发生断裂，高载下更加不利，所以其抗磨性能不如双相不锈钢，且随着合金化程度增加耐磨性下降幅度加大[5]。2．2腐蚀磨损速率与均匀腐蚀速率从图3可知，在相同温度下，各试样的腐蚀磨损速率大大高于其均匀腐蚀速率。图3均匀腐蚀速率和腐蚀磨损速率对比Fig．3Contrastofuniformcorrosionrateandcorrosionwearrate1．腐蚀磨损；2．均匀腐蚀这是因为磨损减薄或破坏钝化膜或除去表面产物而裸露出材料新鲜的金属表面；同时，腐蚀介质的搅动也加速了传质过程使金属表面的腐蚀产物迅速扩散到介质中，补充了新的腐蚀介质，使去极化剂容易到达金属表面，表面剪切力使材料表面变形、强化甚至出现为裂纹，增加位错、空位等缺陷，表面粗糙度也增大，这都会增加材料表面活性从而导致腐蚀反应加速；腐蚀同样会加剧磨损，材料表面由于受到介质腐蚀而变得疏松、多孔，很容易被介质中含的TA颗粒刮掉或冲掉而增加材料的流失量，腐蚀还会增加金属表面的粗糙度，而且由于金属组织结构的不均匀性，腐蚀会破坏晶界、相界或其他组织的完整性，降低其结合强度，因而促进了磨损[5]。磨损腐蚀速率远远高于均匀腐蚀速率。2．3扫描电镜分析图4为3种不锈钢材料在11c℃腐蚀介质中腐蚀磨损试验后的表面微观形貌，可以看出，304不锈钢表面出现了大面积的腐蚀，表面的钝化膜已经完全被腐蚀掉，有大块剥落现象，观察不到磨损痕迹，呈现脆性剥落特征，并且局部有较深的腐蚀坑，这可能是被严重的腐蚀掩盖所致。316L不锈钢试样表面上有一道道很深的被犁削的沟槽，这是TA颗粒在金属表面冲刮后留下的痕迹，同时可看到表面上有一个个白色的方形颗粒，有的嵌入沟槽中，这是TA颗粒，金属表面有明显的腐蚀痕迹和剥落坑。比起前两种不锈钢材料，2205表面腐蚀则轻微得多，表面仍出现浅平的磨痕，但无剥落坑，腐蚀特征不明显。因此，双相不锈钢2205的耐腐蚀磨损最好。另外，实验中发现317L的腐蚀磨损的表面形态与316L的相近，这主要是其材料成分相差不大的缘故。图4不锈钢材料腐蚀磨损后表面微观形貌Fig.4Surfacemieromorphologvofconosion-womstainlessstee3结论a．4种不锈钢的腐蚀磨损速率随着腐蚀介质温度的升高而增加，但在低温时差别不大，当温度超过80°C以后，耐腐蚀磨损性能的差异开始加大，其中：304的最差，317L，316L次之，2205的则最好。b．相同条件下，4种不锈钢的腐蚀磨损速率均大大高于其均匀腐蚀速率。c．建议PTA装置采用双相不锈钢2205代替奥氏体不锈钢316L来制作回转蒸汽管干燥机的加热列管。参考文献1马秋林PTA装置中不锈钢材料的选用及分析[J]．合成纤维工业．2002．25(3)：43～462余存烨PTA装置腐蚀与防护分析[J]化工设备与管道．2000．37(4)：54～583张少宗．施瑞鹤．黄良余热处理对双相不锈钢腐蚀磨损性能的影响[J]．机械工程材料．1998．22(3)：5～64刘金海．刘根生，郝晓燕等．中碳耐腐蚀磨损合金钢的研究[J]．中国铸造装备与技术,2001．(3)：24～265姜晓霞．李诗卓．李曙．金属的腐蚀磨损[M]．北京：化学工业出版社．2003．214～230收稿日期：2005-03-28；修改稿收到日期：2005-09-13。作者简介：侯峰(1969一)，男，安徽宿州人，研究生．研究方向为金属材料及表面防护技术。