化工设备和管道的选择

化工设备和管道的材料选择

许多因素影响到材料的选择：工艺的设计条件，材料的经济性，维修方面，材料的可加工性，材料的是否方便供应，对最终产品的污染，工艺安全方面的考虑，材料特性（mechanical properties）, 但是对于化工装置，很多时候主要的考虑因素是抗腐蚀。

A. 材料特性

具体而言，以下是最重要的一些特性在设计阶段是需要考虑的。 1. 材料的机械特性

抗拉强度(strength) ，刚度（抵抗变形的能力,stiffness），韧性(toughness),硬度（hardness, wear resistance）, 抗疲劳性（fatigue resistance），抗蠕变性(creep resistance) 等。 2. 在高温和低温下，材料的机械特性的变化。 3. 抗腐蚀性。

4. 一些所需要的特别性质: 比如，热传导性，电阻，磁性等。

5. 材料的易加工性

6. 材料是否有标准尺寸

7. 价钱

对于上面第二点，展开来讲，一般说来，随着温度的上升，钢材的强度和刚度会随之降低。在这方面，不锈钢的表现要好于碳钢。如果材料在高温下会暴露于高应力下，那么材料的抗蠕变性就很重要。特殊的合金钢ALLOY, 比如Inconel, 就常常被选为加热炉的炉管材料. 在低温下,钢材会出现脆的现象, 这种发脆的现象常常是由于钢材中的结晶结构的变化.对于那些低温场合 (cryogenic plant, liquefied-gas storages), 奥氏体不锈钢(fcc: face-centred-cubic) 或者铝合金（ aluminum alloys (hex)）常常被选为用材。（对于LPG 的场合，因为常温下是气体，当设备失去压力的时候，液化气会气化，由于焦耳汤姆逊效应，气化吸收了大量的热，导致温度急剧下降，因此，液化气场合的选材常常要考虑低温的要求，防止出现失压低温的时候，钢材脆化）

对于第三点，抗腐蚀性。常见的类型有，介质造成的均匀腐蚀，电偶腐蚀（由于不同的金属材料相接触）（galvanic corrosion），点蚀(pitting)，晶间腐蚀（intergranular corrosion）, 应力腐蚀（stress corrosion）, 冲蚀，腐蚀疲劳，高温氧化（high temperature oxidation）, 氢脆。

从本质上讲，金属的腐蚀是电化学的过程。形成这个过程四个要素必不可少： 1. 阳极 2. 阴极 3. 导电介质（电解液） 4. 通过介质形成电路展开来讲：

均匀腐蚀

对于这种腐蚀，其腐蚀速度是可以通过试验来预测的。最终的选择，要考虑到装置的设计年限，材料的经济性，使用频率，工艺安全等。腐蚀速率常常取决于流体的温度和浓度。一般来讲，随着温度的上升，腐蚀速度也随之上升，但也并不都是这样的。另外，也有其他因素影响到腐蚀速率，比如流体中氧含量 (oxygen solubility). 常见到的例子有，用来传热的循环流体. 膨胀罐如果使用氮封，防止溶氧，就会减轻管道的腐蚀。

电偶腐蚀

当不同的金属接触在一块的时候，那么作为阳极的那一方的腐蚀速率就会增加。如果不同的金属的接触不可避免，那么可以用保温隔热来断开电路的形成。（insulated）. 或者，如果阳极一方作出牺牲，增厚阳极一方的腐蚀余量。常见的地下管道，比如消防水管，采用阳极牺牲保护法来减轻消防水管的腐蚀。

点蚀

点蚀容易发生的工艺场合，如果用腐蚀速率来预测设备的寿命是不可靠的。点蚀的原理，举个例子，介质接触空气，那么如果有腐蚀点，在点的底部溶氧的浓度会相对低，这样这个底部相对周边的金属就是个阳极，就会进一步加快腐蚀，使这个点更加的深。

点蚀的发生有很多因素。要尽量避免金属表面的不均匀，金属成分的不均匀。有时候，管道/设备气泡的破裂也会造成点蚀/冲蚀，比如泵的气蚀。

晶间腐蚀

指主要由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。晶间腐蚀破坏晶粒间的结合，大大降低金属的机械强度。而且腐蚀发生后金属和合金的表面仍保持一定的金属光泽，看不出被破坏的迹象，但晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化, 不能经受敲击，所以是一种很危险的腐蚀。通常出现于黄铜、硬铝合金和一些不锈钢、镍基合金中。不锈钢焊缝的晶间腐蚀是化学工厂的一个重大问题。

不锈钢的晶间腐蚀

不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。

产生晶间腐蚀的不锈钢，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失，这是不锈钢的一种最危险的破坏形式。晶间腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区(HAZ)、焊缝或熔合线上，在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀线腐蚀(KLA)。

晶间腐蚀

不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于10~12%。当温度升高时，碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。因为室温时碳在奥氏体中的溶解度很小，约为0.02%～0.03%，而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值，故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合，在晶间形成碳化铬的化合物，如（CrFe）23C6等。数据表明，铬沿晶界扩散的活化能力162～252KJ/mol，而铬由晶粒内扩散活化能约540KJ/mol，即:铬由晶粒内扩散速度比铬沿晶界扩散速度小，内部的铬来不及向晶界扩散，所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部，而是来自晶界附近，结果就使晶界附近的含铬量大为减少，当晶界的铬的质量分数低到小于12%时，就形成所谓的“贫铬区”，在腐蚀介质作用下，贫铬区就会失去耐腐蚀能力，而产生晶间腐蚀。含碳量超过0.03%的不稳定的奥氏体型不锈钢（即不含钛或铌的0Cr18Ni9不锈钢），如果热处理不当则在某些环境中易产生晶间腐蚀。这些钢在425-815℃之间加热时，或者缓慢冷却通过这个温度区间时，都会产生晶间腐蚀。这样的热处理造成碳化物在晶界沉淀（敏化作用），并且造成最邻近的区域铬贫化使得这些区域对腐蚀敏感。敏化作用也可出现在焊接时，在焊接热影响区造成其后的局部腐蚀。

防止晶界腐蚀的措施有：

1 调整焊缝的化学成份，加入稳定化元素减少形成碳化铬的可能性，如加入钛或铌等。

2 减少焊缝中的含碳量，可以减少和避免形成铬的碳化物，从而降低形成晶界腐蚀的倾向，含碳量在0．04%以下，称为“超低碳”不锈钢，就可以避免铬的碳化物生成。

3工艺措施，控制在危险温度区的停留时间，防止过热，快焊快冷，使碳来不及析出。

腐蚀主要发生在金属材料的晶粒间界区，沿着晶界发展，即晶界区溶解速度远大于晶粒溶解速度。奥氏体不锈钢晶尖腐蚀的贫铬论是当前最广泛使用的理论，认为晶尖腐蚀是由于晶界贫铬引起，当不锈钢构件在对晶尖腐蚀敏感的温度（称敏化温度）范围内停留一定时间时，就会产生晶间腐蚀。当钢材在制成构件的过程中或以后使用的过程中，当其受热或冷却通过450——800℃的敏化温度范围时，过饱和的碳形成（Fe，Cr）23C6从奥氏体基体中析出而