防腐蝕設(shè)計

設(shè)計是設(shè)備制造過程的第一個環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。所謂防腐蝕設(shè)計，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)計和強度校核中考慮腐蝕控制的要求，在設(shè)計中為準備采用的防護技術(shù)(如覆蓋層)提供必要的實施條件，對加工制造技術(shù)提出指示性意見等。

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)計劃的使用壽命

B 腐蝕環(huán)境

(1)介質(zhì)的種類、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)生的腐蝕類型 

(2) 對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)生的局部腐蝕問題。 

(3) 腐蝕破壞的后果

-耐蝕材料評價

A 耐蝕性 

(1) 腐蝕數(shù)據(jù)的獲得

Ⅰ腐蝕數(shù)據(jù)手冊

《Crosion Data Survey》,開始由Nelson編篡，1975年由美國全國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)出第5版，由Hammer編篡，分為金屬材料分冊和非金屬材料分冊。1985年金屬材料分冊出了第6版。 金屬分冊包括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

腐蝕試驗包括實驗室試驗，現(xiàn)場掛片 試驗和實物試驗三大類。 

*耐蝕性評價中應(yīng)注意的幾個問題

(1)任何時候，任何情況下都不要假定或推測材料的使用環(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，更要注意材料的弱點和可能發(fā)生的腐蝕問題。

(3)使用不同材料組合時，要考慮材料之間的相容性。

(4)要十分重視設(shè)備實際使用經(jīng)驗，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。將試驗結(jié)果和實際使用經(jīng)驗結(jié)合起來，可以為評價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。 

    機械性能：強度、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、機械性能(一)

幾種材料的處理、機械性能(二)

(2)材料的耐蝕性和物理、機械、加工性能是材料技術(shù)指標的兩個方面。這兩個方面往往存在矛盾。在耐蝕性和物理、機 械、加工性能不能同時滿足時，就要根據(jù)設(shè)備具體情況有所偏重?；蛘咭阅臀g性為主，對材料物理、機械、加工性能的不足，采取適當措施進行彌補，并制定符合材料性能特點的使用規(guī)程；或者以物理、機械、加工性能為主，而對材料實施有效的防護技術(shù)，以保證其腐蝕速度達到要求的水平。

（三）經(jīng)濟指標

 (1) 經(jīng)濟指標總的目標是工程投資最少，回 收年限最短。

 (2) 腐蝕控制的費用自然應(yīng)當?shù)陀诟g造成 的經(jīng)濟損失，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) 在實際選材工作中，材料來源和交貨時 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滿足耐蝕性、物 理、機械、加工性能和經(jīng)濟指標幾個方面的要求，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）主要的金屬材料簡介

A 碳鋼和鑄鐵

碳鋼和鑄鐵來源廣、價格低。碳鋼強度大、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♂?，故適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)點是鋼材的強度、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。 一般說來，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。我國發(fā)展的16MnCu,09MnCuPTi,10PCuRe等低合金鋼，大氣嚗曬試驗表明，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、開裂以外，還有滲氮引起的 材料脆化。我國發(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。我國發(fā)展耐海水腐蝕低合金鋼較晚，主要是結(jié)合資源特點研制了銅系、磷釩系、磷 鈮稀土系、鉻鋁系。如10MnPNbRe,08PV,10CrAlNb鋼等。

C 高硅鑄鐵

當鑄鐵中硅的含量達到14~17%時，稱為高硅鑄鐵。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保護膜，且膜的修復(fù) 能力很強。加入3.5 ~ 4.0%Mo,可顯著提高高硅鑄鐵耐高溫鹽酸性能(稱為硅鉬鑄鐵) 。高硅鑄鐵的缺點是物理、機械和加工性能差，硬度大，質(zhì)地脆，強度低，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、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。 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%(原子分數(shù)1/8)。鉻的含量愈高，鋼對于氧化性介質(zhì)和高溫氧化的抵抗力愈強。鉻不銹鋼在氧化性環(huán)境中的優(yōu)良耐蝕性來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弱氧化性介質(zhì)和非氧化性介質(zhì)的耐蝕性能，擴大其應(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得到迅速發(fā)展。但普通鐵素體不銹鋼機械性能較低，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。這類不銹鋼不僅具有強度高(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；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)過時效處理析出碳化物和金屬間化合物產(chǎn)生沉淀硬化。這類鋼具有很高強度，如17-4PH, 其屈服強度可達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、熱交換器等，必須使用耐熱鋼和耐熱合金。耐熱鋼，是指鐵含量超過一半的合金。以鐵為主，合金元素總量超過50%的合金稱為鐵基耐熱合金。以鎳為主或以鈷為主的合金則分別稱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很多。在這許多種類的不銹鋼中，有很多耐蝕性相近，不同的是機械性能和加工性能。必須指出，不銹鋼不是萬能的，各類不銹鋼的耐蝕性有其自身的特點。因此應(yīng)當根據(jù)設(shè)備的具體環(huán)境條件進行合理選擇。在選擇時應(yīng)特別注意局部腐蝕問題，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，而且在受到破壞時容易自行修復(fù)。所以鋁在很多使用環(huán)境中有相當高的耐蝕性。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，鋁的耐蝕性優(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，熔點低，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好。強度低，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，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優(yōu)異，而且不會發(fā)生孔蝕。在潮濕氯氣中鈦的穩(wěn)定性很高，超過鎳基合金。在紅色發(fā)煙硝酸中鈦及其合金有爆炸的危險。鈦極易吸氫而變脆，當鈦表面被鐵玷污時有利于吸氫。

（十）常見的一些選材實例

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

強氧化性溶液——鈦

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計

A 腐蝕控制對結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般要求

(1)設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，減少腐蝕電池形成的機會。

(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)采用覆蓋層保護的設(shè)備(如襯里設(shè)備)有要足夠的強度和剛度，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、簡化主體設(shè)計

表面;應(yīng)簡單、平滑、清潔，