防腐蝕設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是設(shè)備制造過(guò)程的第一個(gè)環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。所謂防腐蝕設(shè)計(jì)，包括耐腐蝕材料選擇(主體設(shè)備材料、零部件材料、覆層材料),在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核中考慮腐蝕控制的要求，在設(shè)計(jì)中為準(zhǔn)備采用的防護(hù)技術(shù)(如覆蓋層)提供必要的實(shí)施條件，對(duì)加工制造技術(shù)提出指示性意見(jiàn)等。

1. 耐蝕材料選擇

（一）選擇的依據(jù)

A 設(shè)備

(1)設(shè)備的用途

(2)加工要求和加工量 

(3)設(shè)備在整個(gè)裝置中所占的地位，以及各設(shè)備之間的相互影響 

(4)是否易于檢查、修理或更換 

(5)計(jì)劃的使用壽命

B 腐蝕環(huán)境

(1)介質(zhì)的種類(lèi)、濃度、溫度、壓力、流 速、充氣情況等 (2)原料和工藝水中的雜質(zhì) ； 設(shè)備局部區(qū)域(如縫隙、死角)內(nèi)介質(zhì)的 濃縮、雜質(zhì)的富集、以及可能的局部過(guò)熱或局部溫度偏低；介質(zhì)條件變化的幅度等。

C 腐蝕影響

(1) 可能發(fā)生的腐蝕類(lèi)型 

(2) 對(duì)全面腐蝕有良好耐蝕性的材料，如不銹鋼，要特別注意可能發(fā)生的局部腐蝕問(wèn)題。 

(3) 腐蝕破壞的后果

-耐蝕材料評(píng)價(jià)

A 耐蝕性 

(1) 腐蝕數(shù)據(jù)的獲得

Ⅰ腐蝕數(shù)據(jù)手冊(cè)

《Crosion Data Survey》,開(kāi)始由Nelson編篡，1975年由美國(guó)全國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)出第5版，由Hammer編篡，分為金屬材料分冊(cè)和非金屬材料分冊(cè)。1985年金屬材料分冊(cè)出了第6版。 金屬分冊(cè)包括26種金屬和合金在1196種腐蝕介質(zhì)中的腐蝕數(shù)據(jù)。非金屬分冊(cè)包括36種非金屬材料在803種腐蝕性溶液和氣體中的腐蝕數(shù)據(jù)。 

Ⅱ 腐蝕圖和選材圖 

G.A.Nelson 歸納腐蝕數(shù)據(jù)的方格圖

左景伊總結(jié)腐蝕數(shù)括的表格 鉻18鎳9不銹鋼

E.Hamner歸納非金屬材料耐蝕能數(shù)據(jù)的條線圖 選材醋酸 B氯丁橡膠

Ⅲ 腐蝕試驗(yàn)

腐蝕試驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)掛片 試驗(yàn)和實(shí)物試驗(yàn)三大類(lèi)。 

*耐蝕性評(píng)價(jià)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

(1)任何時(shí)候，任何情況下都不要假定或推測(cè)材料的使用環(huán)境條件，不要在“可能”、“大概”的前提下去選擇材料。

(2)既要考慮材料的優(yōu)點(diǎn)，更要注意材料的弱點(diǎn)和可能發(fā)生的腐蝕問(wèn)題。

(3)使用不同材料組合時(shí)，要考慮材料之間的相容性。

(4)要十分重視設(shè)備實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，積累腐蝕數(shù)據(jù)、案例，特別是設(shè)備腐蝕破壞事故的有關(guān)資料。將試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，可以為評(píng)價(jià)材料耐蝕性提供最可靠的依據(jù)。

鋼在硫酸中的腐蝕速度

硫酸的簡(jiǎn)單選材圖 (按腐蝕速度20mpy)

奈爾遜 (Nelson) 制作的硫酸

Nelson硫酸選材圖中各區(qū)合用的材料(包括金屬,非金屬)

1區(qū) 10%鋁青銅(不含空氣),IlliumG鎳鉻(銅鐵鐵)合金。哈氏合金B(yǎng)及D、 Durimet20合金、 Worthile鐵鎳鉻合金、鉛,銅(不含空氣)瀠乃爾合(不含空氣)、鉭、金、鉑、銀、鋯、 Nilonel鎳鐵鉻合金、鎢、鉬,3.6型不銹鋼鐵(充氣，濃度到10%)。玻璃，酚醛(石棉)塑 料，橡膠(到時(shí)170o F止)、不透性石墨
2區(qū) 高硅鐵，哈氏合金B(yǎng)及D.Durimet20合金(到150o F止),鉛,銅(不含空氣),Worthite鐵鎳鉻合 金(到150o F止),蒙乃爾合金(不含空氣)10%鋁青銅(不含空氣).鎳鑄鐵(20%以下75o F)鉭, 金,銀,鉑,鋯,Nionel鎳鐵笱合金，鎢,鉬,316型不銹鋼(含空氣，75o F,到25%)玻璃，酚醛(石 棉),塑料，橡膠(到170o F止)不透性石墨
3區(qū) 高硅鐵，哈氏合金B(yǎng)及D,Durimet20合金(到150o F止),鉛,Worthile鐵鎳鉻保金.蒙乃爾合 金(不含空氣),鉭,金,鉑,鋯,鉬,玻璃,不透性石墨
4區(qū) 鋼、高硅鐵、哈氏合金B(yǎng)及D.鉛(到96%濃度),Durimet 20合金,Worthite鐵鎳鉻合金，鎳鑄 鐵,316型不銹鋼(濃度80%以上),鉭,金,鉑,鋯,玻璃，不透性石墨(濃度96%以下)
5區(qū) 高硅鐵，哈氏合金B(yǎng)及D,Durimet 20合金(到150o F止),Worthite鐵鎳鉻合金(到150o F止) 鉛(至175o F及96%)濃度.鉭,金,鉑,玻璃，不透性石墨(到175o F,濃度96%)
6區(qū) 高硅鐵，哈氏合金B(yǎng)及D(腐蝕速度20-50mpy),鉭,金,鉑,玻璃
7區(qū) 高硅鐵，鉭,金,鉑,玻璃

8區(qū) 鋼,18-8型不銹鋼，Durimet 20合金,Worthite鐵鎳鉻合金,哈氏合金c,金,鉑,玻璃

9區(qū) 18-8型不銹鋼,Durimet 20合金,Worthite鐵鎳鉻合金,金鉑,玻璃

10區(qū) 金.鉑.玻璃

（二）物理、機(jī)械和加工性能

(1) 物理性能：密度、傳熱性、導(dǎo)電性熱膨脹系數(shù)等。 

    機(jī)械性能：強(qiáng)度、塑性、韌性、等。加工性能：鑄造、切削、焊接性能等。

幾種材料的處理、機(jī)械性能(一)

幾種材料的處理、機(jī)械性能(二)

(2)材料的耐蝕性和物理、機(jī)械、加工性能是材料技術(shù)指標(biāo)的兩個(gè)方面。這兩個(gè)方面往往存在矛盾。在耐蝕性和物理、機(jī) 械、加工性能不能同時(shí)滿足時(shí)，就要根據(jù)設(shè)備具體情況有所偏重。或者以耐蝕性為主，對(duì)材料物理、機(jī)械、加工性能的不足，采取適當(dāng)措施進(jìn)行彌補(bǔ)，并制定符合材料性能特點(diǎn)的使用規(guī)程；或者以物理、機(jī)械、加工性能為主，而對(duì)材料實(shí)施有效的防護(hù)技術(shù)，以保證其腐蝕速度達(dá)到要求的水平。

（三）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

 (1) 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)總的目標(biāo)是工程投資最少，回 收年限最短。

 (2) 腐蝕控制的費(fèi)用自然應(yīng)當(dāng)?shù)陀诟g造成 的經(jīng)濟(jì)損失，包括直接損失和間接損失， 而間接損失往往比直接損失大得多 。

 (3) 在實(shí)際選材工作中，材料來(lái)源和交貨時(shí) 間起著重要的作用。

（四）選材的一些基本原則

(1) 單一材料往往難以同時(shí)滿足耐蝕性、物 理、機(jī)械、加工性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)幾個(gè)方面的要求，因此應(yīng)根據(jù)不同設(shè)備的具體 情況，正確處理技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系。

(2) 將兩種材料復(fù)合使用是一種有效而經(jīng)濟(jì)的方法，得到了廣泛的應(yīng)用。

(3) 所選材料自然應(yīng)滿足整合裝置的預(yù)定壽命，同時(shí)應(yīng)使裝置中各部分的材料均勻劣化。

（五）主要的金屬材料簡(jiǎn)介

A 碳鋼和鑄鐵

碳鋼和鑄鐵來(lái)源廣、價(jià)格低。碳鋼強(qiáng)度大、塑性 好、可鑄、可鍛、可切削加工、可焊接，制造容易。所以，碳鋼和鑄鐵廣泛用作結(jié)構(gòu)材料， 碳鋼和鑄鐵的耐蝕性較差，在潮濕大氣和水中均 不耐蝕，很快就生銹。在中性水溶液中碳鋼和鑄鐵的腐蝕與水溶液中所含溶解氧有密切關(guān)系。在酸溶液中鋼鐵是不能使用的。在濃硫酸中可以使用碳鋼，但要防止?jié)饬蛩嵛♂專(zhuān)蔬m用于制作密閉容器和輸送管道。 

B 普通低合金鋼

普通低合金鋼是在碳素鋼中加入少量合金元素(總量一般低于3%)而制得的，其優(yōu)點(diǎn)是鋼材的強(qiáng)度、韌性、塑性得到明顯改善，具有良好的綜合性能，加工工藝性能也較好，而且成本低。 一般說(shuō)來(lái)，由于合金元素含量低于1/8,所以多數(shù)普低鋼的耐蝕性能和碳鋼相差不多，但也有一些普低鋼種類(lèi)在一定的使用環(huán)境中耐蝕性大大優(yōu)于碳鋼。

(1)耐大氣腐蝕低合金鋼

含有銅、磷、鉻等有效合金元素。含少量銅 (0.2~ 0.5%)的低合金鋼在各種類(lèi)型大氣中都有良好的耐蝕性能；如果和磷很好地配合，在潮濕氣候條件下耐大氣腐蝕性能可以更好地發(fā)揮。我國(guó)發(fā)展的16MnCu,09MnCuPTi,10PCuRe等低合金鋼，大氣嚗曬試驗(yàn)表明，腐蝕速度比低碳鋼低30~40%。耐蝕性能改善的原因，是由于對(duì)表面不同元素的選擇性浸蝕，生成了一層致密的、附著力好的腐蝕產(chǎn)物膜。

(2)耐H2S腐蝕低合金鋼

為了得到耐H2S腐蝕的低合金鋼，一是加入鉬、鈮、釩、鈦等碳化物形成元素，以減少固溶體中的碳量；二是采用精練技術(shù)以降低硫、磷等有害雜質(zhì)；三是進(jìn)行回火處理，以獲取馬氏體高溫回火組織。其中12AlMoV、12Cr2MoAlV、40B等耐硫化氫腐蝕破壞性能較好。

(3)耐氫氮氨腐蝕的低合金鋼

合成氨系統(tǒng)和石油加氫系統(tǒng)中的設(shè)備材料處于高溫高壓氫腐蝕或高溫高壓氫氮氨腐蝕條件，后者除滲氫引起的鼓泡、開(kāi)裂以外，還有滲氮引起的 材料脆化。我國(guó)發(fā)展的抗氫腐蝕低合金鋼和抗氫氮氨低合金鋼，是加入鈮、釩、鈦、鉬等合金元素，以生成穩(wěn)定的碳化物和氮化物，減少因氫和碳反應(yīng)生成甲烷而造成的脫碳和腐蝕問(wèn)題。如10MoWVNb鋼。

(4)耐海水腐蝕低合金鋼

有效的合金元素有硅、銅、磷、鉬、錳、鉻、鋁、鎳、鎢、鈦等。我國(guó)發(fā)展耐海水腐蝕低合金鋼較晚，主要是結(jié)合資源特點(diǎn)研制了銅系、磷釩系、磷 鈮稀土系、鉻鋁系。如10MnPNbRe,08PV,10CrAlNb鋼等。

C 高硅鑄鐵

當(dāng)鑄鐵中硅的含量達(dá)到14~17%時(shí)，稱(chēng)為高硅鑄鐵。高硅鑄鐵在氧化性、中性以及某些非氧化性酸中均有優(yōu)良的耐蝕性能。在任何濃度和溫度的硝酸，任何濃度的硫酸、硫酸鹽等介 質(zhì)中，腐蝕速度都很低。耐磨損腐蝕性能也很好，易生成致密的SiO2保護(hù)膜，且膜的修復(fù) 能力很強(qiáng)。加入3.5 ~ 4.0%Mo,可顯著提高高硅鑄鐵耐高溫鹽酸性能(稱(chēng)為硅鉬鑄鐵) 。高硅鑄鐵的缺點(diǎn)是物理、機(jī)械和加工性能差，硬度大，質(zhì)地脆，強(qiáng)度低，熱膨脹系數(shù)大，不耐溫度急變；加工困難，故主要用于鑄造形式的管道、管件、泵、閥門(mén)、塔節(jié)等。

（六）不銹耐酸鋼

金相組織，不銹鋼可分為馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼，奧氏體—鐵素體雙相鋼、沉淀硬化型鋼五大類(lèi)。 鉻是使不銹鋼獲得優(yōu)良耐蝕性的主要合金元素，所有不銹鋼的含鉻量都大于13%(原子分?jǐn)?shù)1/8)。鉻的含量愈高，鋼對(duì)于氧化性介質(zhì)和高溫氧化的抵抗力愈強(qiáng)。鉻不銹鋼在氧化性環(huán)境中的優(yōu)良耐蝕性來(lái)源于表面形成的致密氧化物膜，使金屬材料處于鈍化狀態(tài)。加入鎳、銅、鉬可以改善不銹鋼對(duì)弱氧化性介質(zhì)和非氧化性介質(zhì)的耐蝕性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

(1)馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼是指在室溫下具有馬氏體組織的鉻不銹鋼，其碳含量較高，如2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18等，隨鋼中含碳量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性顯著提高，而耐蝕性下降，因此主要用于制造要求高硬度的部件，如耐磨零件、彈性元件、切削工具，以及在弱腐蝕性介質(zhì)中使用、要求較高機(jī)械性能的器械和零部件。

(2)鐵素體不銹鋼

含鉻量在18 ~ 30%范圍內(nèi)的鉻不銹鋼為鐵素體鋼。鐵素體不銹鋼耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂性能較鉻鎳奧氏體不銹鋼好，因而作為耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂的不銹鋼種類(lèi)得到迅速發(fā)展。但普通鐵素體不銹鋼機(jī)械性能較低，沖擊韌性差，缺口敏感性高，因此應(yīng)用受到限制。普通鐵素體不銹鋼對(duì)晶間腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕敏感性較高。高純高鉻鐵素體不銹鋼如E-Brite26-1具有優(yōu)異的耐蝕性，特別是優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕破裂，耐孔蝕和縫隙腐蝕，耐晶間腐蝕性能。

(3)奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼的基本型是Cr18Ni8~10 。奧氏體不銹鋼的高溫強(qiáng)度較高，而熱塑性很好， 冷變形能力也非常好，可焊性也優(yōu)于其他組織的不銹鋼。但其導(dǎo)熱性較差，切削時(shí)有粘滯現(xiàn)象，容易產(chǎn)生冷加工硬化。奧氏體不銹鋼在氧化性，中性，弱氧化性介質(zhì)中耐蝕性較鉻不銹鋼高。奧氏體不銹鋼的最大問(wèn)題是局部腐蝕，包括晶間腐蝕，孔蝕，縫隙腐蝕，應(yīng)力腐蝕破裂。為了提高奧氏體不銹鋼抗局部腐蝕性能，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)鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼

鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼是在Cr18~27% 、Ni4~8%的基礎(chǔ)上，隨用途不同分別加入Mn、N、Si、Cu、Ti等元素而形成的新型不銹鋼。這類(lèi)不銹鋼不僅具有強(qiáng)度高(0.2約為奧氏體不銹鋼的2倍)、導(dǎo)熱系數(shù)大、膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)；而且抗氯化物應(yīng)力腐蝕性能、抗孔蝕和晶間腐蝕性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼，因此近些年得到了迅速的發(fā)展。

(5)沉淀硬化型不銹鋼

為了既能保持奧氏體不銹鋼優(yōu)良的焊接性能，又具有馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度，發(fā)展沉淀硬化型(PH)不銹鋼是途徑之一。它是在最終形成馬氏體后，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理析出碳化物和金屬間化合物產(chǎn)生沉淀硬化。這類(lèi)鋼具有很高強(qiáng)度，如17-4PH, 其屈服強(qiáng)度可達(dá)1290MPa。耐蝕性和一般不銹鋼相同。

（七）耐熱鋼

在高溫高壓下工作的設(shè)備，如裂解爐、轉(zhuǎn)化爐、鍋爐、蒸汽輪機(jī)、熱交換器等，必須使用耐熱鋼和耐熱合金。耐熱鋼，是指鐵含量超過(guò)一半的合金。以鐵為主，合金元素總量超過(guò)50%的合金稱(chēng)為鐵基耐熱合金。以鎳為主或以鈷為主的合金則分別稱(chēng)為鎳基耐熱合金和鈷基耐熱合金。耐熱鋼的基本要求包括：優(yōu)良的高溫力學(xué)性能(熱強(qiáng)性、抗蠕變性),以及優(yōu)良的抗高溫氧化性能。

（八）不銹鋼的合理選擇和正確使用

不銹鋼的品種和牌號(hào)很多。在這許多種類(lèi)的不銹鋼中，有很多耐蝕性相近，不同的是機(jī)械性能和加工性能。必須指出，不銹鋼不是萬(wàn)能的，各類(lèi)不銹鋼的耐蝕性有其自身的特點(diǎn)。因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備的具體環(huán)境條件進(jìn)行合理選擇。在選擇時(shí)應(yīng)特別注意局部腐蝕問(wèn)題，以避免發(fā)生不應(yīng)發(fā)生的腐蝕破壞事故。

（九）有色金屬

(1)鋁

鋁是活潑金屬，但鈍化傾向大，在很多介質(zhì)中可以生成具有保護(hù)性的表面氧化膜。這種膜致密，和金屬基底結(jié)合牢固，而且在受到破壞時(shí)容易自行修復(fù)。所以鋁在很多使用環(huán)境中有相當(dāng)高的耐蝕性。鋁在稀硫酸和發(fā)煙硫酸中穩(wěn)定，在濃度大于80%的硝酸中，鋁的耐蝕性?xún)?yōu)于18—8型不銹鋼。鋁也可能發(fā)生晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕。鋁的比重小，熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好。強(qiáng)度低，焊接性和鑄造性差，使用溫度不高。

(2)鈦

鈦是活潑金屬，其鈍化能力極強(qiáng)，而且在受到損傷后易于修復(fù)。所以鈦在很多腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)良的耐蝕性能。在氧化性溶液中，即使存在各種濃度的氯離子，鈦也是穩(wěn)定的。在大多數(shù)鹽溶液中，特別是在氯化物溶液中耐蝕性?xún)?yōu)異，而且不會(huì)發(fā)生孔蝕。在潮濕氯氣中鈦的穩(wěn)定性很高，超過(guò)鎳基合金。在紅色發(fā)煙硝酸中鈦及其合金有爆炸的危險(xiǎn)。鈦極易吸氫而變脆，當(dāng)鈦表面被鐵玷污時(shí)有利于吸氫。

（十）常見(jiàn)的一些選材實(shí)例

堿溶液——鎳和鎳合金

硝酸——不銹鋼

濃硫酸——碳鋼

稀硫酸——鉛

氫氟酸——Monel(蒙耐爾)合金

鹽酸——Hastelloy(哈氏)合金

未污染大氣——鋁

還原性和非污染溶液——銅

氧化性溶液——含鉻的合金

強(qiáng)氧化性溶液——鈦

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

A 腐蝕控制對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求

(1)設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，減少腐蝕電池形成的機(jī)會(huì)。

(2)從防腐蝕角度看，整體結(jié)構(gòu)比分段結(jié)構(gòu)好。

(3)設(shè)備的表面狀態(tài)應(yīng)當(dāng)均勻、平滑、清潔，突出的緊固件的數(shù)目愈少愈好 。

(4)結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量避免縫隙、死角、坑洼、液體停滯、應(yīng)力集中、局部過(guò)熱等不均勻因 素。

(5)注意材料的相容性和設(shè)備之間的相互腐蝕性影響。

(6)采用覆蓋層保護(hù)的設(shè)備(如襯里設(shè)備)有要足夠的強(qiáng)度和剛度，使用中不能變形。

(7)幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)方便設(shè)備清洗，維修和防腐蝕施工。

盡量集中附件、簡(jiǎn)化主體設(shè)計(jì)

表面;應(yīng)簡(jiǎn)單、平滑、清潔，