十大选材误区案例
2024-12-16 [ 233]

根据腐蚀科学家的调查和估算,大量腐蚀损失是由于对腐蚀认识的无知而引起的。只要将已掌握的腐蚀科学和工程知识普遍推广,全部腐蚀损失中约1/4~1/5的损失完全可以挽回。由于每个行业、工厂、企业、交通运输等都存在用材和选材的问题,而绝大多数的工程技术和管理人员又不具备腐蚀科学的知识,或者知道的还不够完备,因此遇到某些腐蚀问题,由于选材者理解不够,往往步入误区,以致造成重大损失。以下总结了选择者易犯的十点错误(当然不限于这十点),如果所有科技、管理工作者能熟悉这类问题的正确处理办法,相信每年将会减少几亿、几十、百亿元的损失!

①选材事先不查阅资料

除非确有把握,选材前必须查阅腐蚀数据和相关资料,因为腐蚀现象一般都复杂,新的腐蚀现象又不断出现。以为选材是件简单的事,是一个错误概念。由下例可以看出这种错觉造成损失的严重性。美国阿波罗登月计划中用钛合金贮槽贮燃料N2O4,有一次对20个钛槽作压力试验,因为N2O4危险,改用甲醇代做试液。由于甲醇和N2O4一些物性相似,试压时钛槽产生了应力腐蚀破裂,一次损失约150万美元。钛合金在甲醇中会产生应力腐蚀破裂,是在这次试压前十年就发现的事实,只要主管人员事前花一点时间查查文献,就能避免这笔庞大的浪费。

在国内,类似情况也屡见不鲜,如用18/8不锈钢作氯化镁、氯化钙的蒸发器;用铝容器装碱、水泥和石灰水;用铜和铜合金处理含氧的酸等,曾造成了大量不必要的损失。

②认为不锈钢是万能耐蚀材料

除不锈钢外,还有人认为钛、锆或塑料也是万能材料。有些工厂不管什么腐蚀问题都用“白钢”(工厂中对不锈钢的惯称)去解决,结果往往造成浪费。不处在万能腐蚀材料!不锈钢有很多种,塑料品种更是五花八门。每种材料都有独特的物理、化学和化学性能。例如18/8铬-镍不锈钢在抗大气方面比碳钢优越的多(这是其名称来源),但对还原性酸(盐酸、稀硫酸)与碳钢一样的坏。而对氯离子的应力腐蚀破裂则远不及碳钢耐蚀。迷信“万能材料”,毛病也在不查资料,没有读一点有关材料腐蚀方面的书。

③不重视大气、水、蒸馏水等的腐蚀

有些人认为只有强酸腐蚀型性强,其实并不尽然。影响腐蚀的因素很复杂,而且因材而异。以为大气、水、甚至蒸馏水腐蚀必然轻微,是错误的。18/8奥氏体不锈钢在几个ppmCl-的水中就可能产生应力腐蚀破裂,碳钢在含微量H2S的大气中也能产生应力腐蚀破裂。近年来发展的高强钢(马氏体钢,沉淀硬化钢,马氏体时效钢,屈服强度约)1034MPa)是很有用的材料,但应用不久连接发现在大气和纯水中都能发生应力腐蚀破裂。以上情况都曾引起严重事故,如设备破坏,桥梁塌陷,飞机失事等。

国内有些引进工厂因忽略了水的腐蚀,没有引进处理技术,自己又未脱善解解决,以至水腐蚀成了严重问题。总之,科技工作能“想当然”,应该科学的对待。

④设计不考虑结构对腐蚀的关系

有些人在选材前也查数据,有时手册上认为腐蚀合格的材料结果腐蚀严重,这一般并非手册错误,而是腐蚀因素复杂,考虑欠周到之故。以下将依次讨论一些应该考虑而未予考虑,以至引起腐蚀的问题。其中,不考虑设计结构的影响可能为重要原因之一。

大量缝隙存在是主要的设计缺陷。完全避免固然很难,但应尽量减少缝隙,关键部位更应设法避免。缝隙将产生氧浓差电池,其后缝内酸化,引起急速腐蚀。当外部干后,缝内仍存积液体,继续腐蚀。如果经历反复的干、湿变化,那么缝内离子(如Cl-)会越来越浓,引起危险的应力腐蚀破裂。

以下图中是几个避免产生缝隙的例子。也可将缝隙填实,或用加油缓蚀剂的涂料保护缝面。除缝隙外,还有一些结构缺陷也应避免,如不易排液的死角,局部温度过高或过低的热点或冷点,引起腐蚀液冷凝的结构等。

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①不注意电偶腐蚀

一个车间或一台设备内可能要采用几种不同材料,选材时不应孤立地考虑一台设备或者一个部件,而应周密地考虑与它接触或甚至距离较远有无它种材料构成的部件。不同材料接触由于二者电位不同将构成电池,引起电偶腐蚀。一般二种金属的电位差较大,则电位低的阳极金属腐蚀越大。金属标准电位次序在腐蚀或电化学书中可查出,在实际环境中可能有一些差异。例如在海水中测出的电位次序就与标准电位不同。如果铁和锌接触,锌的加速腐蚀不太大;铜和锌接触,则锌严重腐蚀。此外电极极化性能也有重要影响,如极化大,即使开路电位差大,腐蚀也不大;反之,如极化小,电位差虽不大,也能促进阳极腐蚀。

有时阴极也会受到破坏,如中性金属铅、锡等受阴极产生的OH-腐蚀;不锈钢氧化膜由于阴极还原作用,失去保护性;由于氢在阴极产生,氢原子渗入金属,则可能产生氢脆。

在电偶腐蚀中要注意面积因素,即阴极和阳极面积比例。如阴极大,阳极小,则阴极电流集中,电流密度大,容易穿孔。如阴、阳极面积接近,或阳极更大,则腐蚀均匀分布在阳极表面,危险不大。

违背上述原则常会造成代价高昂的损失。有一例子可以很好说明这类问题。国内有一工厂使用几百个钢槽,内涂酚醛漆保护。底部涂层因易被磨损破坏,引起产品污染,为了改进这一情况,钢槽底加衬不锈钢,顶部和槽壁是钢,钢壁和不锈钢底焊接。为防止腐蚀,钢壁涂漆直到焊缝下面稍许。开车后仅几个月槽壁鸠穿了许多小孔。这是因为涂层上存在许多微孔,孔底的钢与不锈钢槽底构成大阴极小阳极的电偶,以致腐蚀非常快,约达25mm/年。如果不用这种“改进”办法,槽壁一般可用10~20年。这是弄巧成拙的一例。补救办法是用涂料将不锈钢也“保护”起来,使阴极面积也减少。

还有一种简单的防止电偶腐蚀的方法,即当可能时在不同金属间加一非金属绝缘物,例如当不锈钢管和铝管连结时,中间加一段塑料管绝缘。

②不考虑制造加工对腐蚀的影响

制造加工对腐蚀的一项重要影响是在设备上留下局部应力,在适合的环境中会产生危险的应力腐蚀破裂。应力来源很多,重要的有:焊接、切割、剪、冲、弯、铆、热处理、装配不适当、紧螺栓用力不均等。在设备运行过程中由于周期性加热,热膨胀、振动、回转、载荷等也能引起局部应力集中。

防止应力腐蚀破裂的一项有效方法,是通过热处理以消除应力。但是对非稳定性不锈钢来说,消除应力的退火温度730~870℃正是它的敏化范围,所以应力消除了,却又会引起晶间腐蚀,因此需要选用加钛或铌的稳定化不锈钢。

焊接不仅产生残余应力,又使焊缝附近达到敏化温度(约500~800℃),使奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀。使用稳定化钢或超低碳钢可得较好效果。另一个办法是对敏化钢采用高温固溶处理,即加热到1100℃左右,接着水淬。在1100℃下,敏化温度内产生的碳化铬溶解,得到较均化的合金。市场供应的奥氏体18/8不锈钢多数处于这种状态。但是对于大型设备固溶淬火很困难。淬火过程也必须注意控制,如果冷却慢,整个结构都易遭受晶间腐蚀。

如果了解制造加工可能对腐蚀产生深远影响,并加以妥善处理,可以避免许多重大腐蚀。

③不考虑环境对强度的影响

设计均按照手册上的材料标准强度值进行设计,结果有许多设备在远低于名义屈服强度下发生意外的破坏事故。这是因为所有材料都不是理想材料,内部存在微缺陷和微裂纹。在腐蚀环境的作用下,又能促进应力腐蚀破裂。

近二十年来,由于利用断裂力学研究应力腐蚀破裂,一项重要成果就是能求出合乎使用的设计强度值。K的定义是:

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在腐蚀环境中具有断裂的材料还有一个重要参数,称为“应力腐蚀破裂临界强度因子”(K1scc),即在K1scc以下不会产生应力腐蚀破裂。K1scc低于K1c和名义屈服强度。在利用予裂缝事件进行应力腐蚀的研究中可以找到一个K值,低于此值时,裂缝延伸速度(dα/dt)等于零(如图),此值即K1scc,它很有用,可根据下式算出材料允许的裂缝最大深度α:

①腐蚀试验不结合实际

试验条件如果不符合实际,就会得出错误的结论。因此应尽量重现环境中一切因素。有些因素对腐蚀影响不大,也可不考虑,但是影响大的因素,即使只有微量,也绝不能忽视。例如微量Cl-和氧一般影响都很大,几个ppm Cl-(加上微量)可以引起18/8铬镍不锈钢的应力腐蚀破裂。例如速度、温度、杂质、搅拌、焊缝、制造加工状态(锻、铸等)都应于试验中重现。

有些因素的影响需要通过试验才能搞清楚,有些因素模拟困难,尚未完全高清,如闭塞腐蚀电池中裂缝尖端微区的溶液成分,电化学状态,至今仍是需要进一步研究的课题。

下面是一个试验不结合实际的例子。为输石油的隔膜泵选一种合成橡胶进行试验,试验室运转数月结果表明良好。拿到汽车上用了几星期就坏了。原来是油中含硫化合物,试验中油循环使用,很快硫消耗光,反应就停止了。但是是车上的油始终是新鲜的,因此硫的腐蚀积累增加,引起迅速破坏。

再举一例,前面曾介绍一个电偶腐蚀引起的失败的事故,即用不锈钢槽底和碳钢壁焊接,槽壁用涂料保护,引起迅速穿孔。事后那家工厂进行了试验,宣称试验结果证明并不存在严重的电偶腐蚀。但检查它的试验方法,却是用面积相等的碳钢和不锈钢试件,将重要的面积因素(大阴极/小阳极)忽略了。用的又是沸腾的试液,据说目的是加速试验,但是沸腾却赶走了溶解的氧,反而降低了腐蚀。所以与实际不符的试验往往不能说明问题,而且可能会引起错误的结论。

②不考虑环境细节和可能的变化

环境中有些看似很小、影响却大的因素决不能忽略。例如铜对不含氧的稀硫酸腐蚀性很好,如果酸中含饱和氧,腐蚀就会增加很多倍,如果忽略了酸中溶解的微量氧,选材将会产生多么大的错误!

而且环境是可能变化的,一个有经验的选材者应尽可能掌握各种有影响的变化情况。例如浓硫酸可用碳钢作槽和管,耐蚀性尚好,但当酸放空后,壁上粘附的酸会吸收大气中水气变稀,引起腐蚀。补救方法就是设备内应总是充满浓酸。

开车和停车状态与正常运转不同,开始时条件尚未稳定,温度可以能过高或过低,浓度也波动;停车后清洗不彻底,积存有腐蚀性液体等。此外如温度随季节变化,湿度也经常变化,这些都应予以考虑。

再举一例:有一湿法磷酸厂,原来生产正常,突然发现腐蚀严重了,工艺条件并无变化。经检查,只有原料磷酸钙来源改变,问题就出在这里。以前的原料含杂质CaF2和SiO2。CaF2在酸中产生氢氟酸,但是与SiO2中和:

SiO2+6HF        H2SiF6+2H2O

因此不显示腐蚀性。新原料中只有CaF2,不含SiO2,产生的氢氟酸保留在液中,因而使设备腐蚀。这种情况在选材时难以预料到,但如果理解这些原则,发生问题后则可较容易查出原因。

③防腐蚀措施不适当

有人以为只要是防腐蚀性方法,用上去就行,不管用得是否适当,用多用少。其实不然,防腐措施用的不合理、就不能取得预期效果、有时还会得到相反的效果。

有工厂为防止水腐蚀使用缓蚀剂,但是不管剂量多少,也不检查成分是否均匀。然而缓蚀剂用量不当是很危险的,特别是钝化型缓蚀剂(如铬盐酸类),用量不够反而促进危险的孔蚀。

用涂料不合理的例子,前面已经列举过介绍了。电化学保护也不是用了一定比不用好。阴极保护对于铅、铝、锡等中性金属如“保护过头”,阴极反应产生的碱性会造成腐蚀。阳极保护如控制不严格,电位脱离了钝化范围,就会发生强烈腐蚀。

决定一项防腐措施,事前应周密考虑,有时还须经过试验。施工准备工作,包括表面处理,运转时的维护和监控工作都十分重要。任何方面的草率大意都只会引起浪费。

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