金属腐蚀与防护课件——防腐设计

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(1)腐蚀数据的获得Ⅰ腐蚀数据手册《CrosionDataSurvey》，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＜20mpy20mpy20~50mpy50mpy硫酸%G.A.Nelson归纳腐蚀数据的方格图800温700度600ºC50040030021217512575铅选材介质浓度%温度ºc255080100硝酸3040~60708090100－－－－X－－X－X－－x－x左景伊总结腐蚀数括的表格铬18镍9不锈钢图－优良速度＜0.05mm/y例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/yx不适用，腐蚀严重腐蚀速度1.5mm/y选材20406080100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能数据的条线图41C501861Ⅱ腐蚀图和选材图Ⅲ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，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ºC275225175125756065707580859095100105110钢在硫酸中的腐蚀速度200mpy20050~200mpy5020~50mpy205~20mpy50~5mpy选材0102030405060708090100硫酸%硫酸的简单选材图(按腐蚀速度≼20mpy)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20406080100103.5H₂so₄%温600度ºC500400300200100沸点曲线材图按腐蚀速度不于20(mpy)10123458976选材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•物理、机械和加工性能(1)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）材料性能低碳钢高硅铸铁Si145%低合金钢不锈钢cr18Ni9铅99.9塑料硬pvc工业耐酸瓷不透性石墨环氧玻璃钢密度（克／厘米³）7.85~7.867.07.87.9311.341.3~1.52.3~2.41.8~1.91.6~1.8热性能导热系数千卡/米.时.度)43-5220°C45100°C29-3820°C14-18100°C-500°C29.90°C0.11-0.2520°C180-1200.1520°C线胀系数10¯⁶/度11.16-11.2820°C12.22°C－100°C13.320°C-400°C170°C－100°C2920°C-100°C50-6020°C420°C4－520°C60-8020°C耐热性应用温度范围-40-60°C不耐温弃急变马丁耐热湿度80选材几种材料的处理、机械性能（二）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加工工艺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。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；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)经济指标总的目标是工程投资最少，回收年限最短。(2)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。(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。(2)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。(3)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30～40%。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14～17%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