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化工设备的选材与不锈钢的应用

文章出处:上海宝屿 人气:发表时间:2017-04-17 13:42

        小化工生产是很复杂的生产过程,不仅有着各种不同性质的工作介质严重的腐蚀性,而且温度、压力变化的范围很大;不同的工作介质和不同的生产条件要求使用的材料也各不相同,如果对材料的性质掌握不全面,选择不合理,不仅会造成很大浪费,还有可能造成生产事故,影响正常生产,因此化工设备耐蚀材料的选择,始终是广大用户和设计工作者需要首先慎重考虑的问题。

1、如何选择一般化工设备常用材料

        目前,国内化工设备尤其是大量的塔器、换热器、冷凝器、分离器、槽、罐等常用设备多数都常用碳素钢、低合金钢和不锈钢材料制造的,因此在选择化工设备用材时,除必须考虑设备的操作条件、材料的加工性能、焊接性能、热处理及设备结构等因素外,一般情况下,下列规定是经济合理的:
      (1).所需钢板厚度小于8mm时,在碳素钢与低合金强度钢之间,应尽量选用碳素钢钢板。
      (2).在以刚度或结构为主的场合,应尽量选用普通碳素钢。在以强度为主的场合,应根据压力、温度、介质等使用条件的限制,依次选用Q235-AF、Q235-A、Q235-B、Q235-C、20R(20g)、16MnR等钢板。

2、化工设备中不锈钢材料的选用

        在化工生产中,设备往往在酸、碱、盐以及各种活性气体等介质中工作,其失效的原因多是腐蚀所致,所以广泛地应用了各种类型的不锈钢。当不锈钢用于化工设备时,下列规定是合理的:
        (1).设计计算出所需不锈钢厚度大于12mm时,应尽量采用衬里、复合、堆焊等结构形式。但也应根据市场价格做经济分析。
        (2).不锈钢应尽量不用作设计温度≤500℃的耐热用钢。不锈钢用于介质腐蚀性较高、防铁离子污染或设计温度>500℃或设计温度<-100℃的耐热或低温用钢最为适宜。

3.选用不锈钢需注意的问题

        不锈钢具有耐高温、耐低温、耐多种介质腐蚀的良好特性,在化工设备中得到了广泛应用,是耐腐蚀的首选材料。在一些腐蚀介质中,不锈钢比碳钢耐腐蚀优越得多,在设计中常常取腐蚀裕度为零。不锈钢的使用寿命可以比碳钢高几倍甚至几十倍,因此虽然设备一次性投资高,总体上却可以节省大量资金。这就是不锈钢材料在化工生产中占有相当重要地位的原因。但是,这种优质材料选用不合理,也会造成很大浪费,应该引起高度注意。
        (1).氯离子对不锈钢设备耐蚀性的影响,工作介质中氯离子的含量和工作温度对不锈钢应力腐蚀的影响很大。例如天津某厂水加热器腐蚀严重,采用了全不锈钢材质后,使用几个月就出现了漏液现象。经过认真分析,发现热水中含有氯离子和氧。不锈钢在一定温度下不能耐氯离子腐蚀,特别是介质中有氧存在的条件下,氧的存在能加速腐蚀。在实际生产中还发现,氯离子在一定浓度和温度时,不锈钢的耐蚀性还不如碳钢;但在氯离子合量很少或含量高、温度不高的条件下,还是远比碳钢好。在这一点上,温度对耐蚀性的影响比氯离子浓度的影响更大。所以在选材时,除考虑氯离子的浓度外,特别要注意温度的影响。提高奥氏体合金中镍的含量,是防止氯离子引起的应力开裂的一种有效方法。含镍42%以上的合金完全能耐氯离子引起的腐蚀开裂,如825合金、G合金、625合金。而含镍8%~12%的合金是最容易发生应力开裂的。
        (2).露点对不锈钢耐蚀性的影响设备的腐蚀往往是随着温度的升高而加剧,但露点腐蚀的程度不仅与温度有关,与工作介质的露点温度关系更为密切。露点腐蚀对不锈钢的影响也较大。如上述水加热器,通过调整热水进、出口温度,避开露点温度后,设备腐蚀情况大大改善。

4.焊接对不锈钢耐蚀性的影响

        选择不锈钢材料还有一个值得注意的问题,就是不锈钢的焊接。不锈钢本身耐腐蚀性能好,但焊接质量不能保征时,也会使整台设备报废,造成极大浪费。例如天津某厂烧碱生产用于蒸发器的液位罐,采用1Cr18Ni9Ti材质,厚度8mm,使用半年后漏液报废。经检查,设备内表面并没有腐蚀,只是焊缝处腐蚀穿孔。这是不锈钢在焊接过程中容易出现的贫铬现象所致。焊接时,如果采用大焊道,冷却速度慢就会使焊缝贫铬,不能耐腐蚀。因为在不锈钢中,起耐腐蚀作用的主要元素是铬,铬能固溶于铁的晶格中形成固溶体。焊接时,若冷速慢,当温度从800~500℃的冷却过程中在晶界上析出碳化物,形成Cr28Ce使晶界附近的铬含量降低到低于抗腐蚀所需要的最小含量11.7%以下,从而使腐蚀集中在附近的贫铬区,其结果使不锈钢焊缝处发生脆性破坏。鉴于此种原因,奥氏体不锈钢焊接应符合如下要求:
        (1)单面焊焊缝宜采用手工钨极氩弧焊打底,手工电弧焊填充、盖面。
        (2)在保证焊透及熔合良好的条件下,应选用小的工艺规范,短电弧和多层多道焊接工艺,层间温度不宜过高。
        (3)对抗腐蚀性要求高的双面焊缝,与工作介质接触面的焊缝应最后施焊。
        (4)对于有应力腐蚀的设备,应对焊缝作晶间腐蚀试验。
        (5)为了获得更好的耐腐蚀性能和较好的焊接质量,可选用低碳或超低碳不锈钢材料。超低碳高铬铁素体不锈钢是近十几年来迅速发展起来的一种新型不锈钢,通过大量的实验室实验、工厂挂片,证明在NaOH浓度高达50%、温度145℃时的耐蚀性,同价格昂贵的镍材相当,甚至超过镍,而材料费用只有镍的一半。上述液位罐后来改用0Cr18Ni12Mo2Ti材质,对罐体焊接采取以上措施,对焊缝作了焊态晶间腐蚀试验,使设备寿命大大延长。化工设备常用材料的选择,除考虑以上诸因素外,经济分析是十分必要的。经济分析不仅要考虑材料费用和制造费用,还要考虑维修费用以及节电、节水等诸多方面的因素。

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