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壓力容器選材

壓力容器選材需考慮的因素 

設(shè)備使用條件

①介質(zhì)組成和濃度。

一般隨介質(zhì)濃度增大,腐蝕速率增大,但也不盡如此。如碳鋼和不銹鋼在50%的硫酸中腐蝕最嚴重,而當濃度增大到60%以上時腐蝕速率反而急劇減小。鉛則相反,硫酸濃度越低,腐蝕速率越小,但濃度超過96%時,腐蝕速率增大。不銹鋼在醋酸中的腐蝕速率,以80%~90%最大。鋁和鋁合金在10%~15%的硫氰酸鈉溶液中腐蝕速率最大。

對于介質(zhì)的濃度,除了要注意整體濃度還要注意濃度的不均勻問題?;旌衔锪希ㄈ缬袡C化合物)中含有的某一種腐蝕性介質(zhì)濃度可能并不高,但是相對于物料中的水則可能是高濃度介質(zhì);干濕交替環(huán)境會使表面液膜中的腐蝕性介質(zhì)(雜質(zhì))因蒸發(fā)而濃縮,造成局部區(qū)域濃度比本體溶液高許多。

選材時,若濃度變動范圍包含腐蝕率突變邊緣,就須特別注意,此時應(yīng)選擇能耐任一濃度的材料。

②溶存氧、氧化劑和還原劑。

選材時應(yīng)先確定環(huán)境中有無氧化劑或還原劑,這在許多情況下對腐蝕起決定作用。如脫氧銅制成的醋酸提濃塔,由于氧的混入,加速了腐蝕。碳鋼制的二甲基亞砜回收槽也有同樣的情況。如果是強氧化性介質(zhì),可以考慮采用在氧化劑作用下易鈍化的材料,如不銹鋼、鈦、鋁等;如果是還原性酸,則可以考慮采用某些非金屬材料。

③混酸、混液和雜質(zhì)的含量。

混酸、混液的腐蝕性與單一組分有所不同。選材時往往只注意工藝介質(zhì)中的重要成分,而忽略其雜質(zhì)的情況時有發(fā)生。而微量雜質(zhì)有時卻是產(chǎn)生腐蝕的重要因素。如含鉬銅的鉻鎳奧氏體不銹鋼制醋酸回收塔,由于醋酸中甲酸含量增大和Cl-的混入,使腐蝕速率急劇上升。微量的氨或NH4CI則會引起銅和銅合金的應(yīng)力腐蝕開裂,CI-造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂。硫也是一種有害雜質(zhì),原油中硫含量高,將直接影響煉油設(shè)備使用壽命。如果從工藝角度做一些改變,比如對物料進行凈化,除去對腐蝕影響很大的雜質(zhì),可能會使腐蝕問題迎刃而解,取得事半功倍的效果。

④溫度及溫度分布。

選材時應(yīng)了解設(shè)備是處于高溫還是低溫,溫度梯度分布狀況,有無急冷或急熱的熱沖擊。均勻腐蝕或局部腐蝕都有一個臨界溫度。如常溫醋酸可選鋁材,40~70℃應(yīng)選18-10不銹鋼,80-135℃應(yīng)選超低碳含鉬不銹鋼,135℃以上選用鈦材。對溫度劇變設(shè)備,不能用高硅鑄鐵、陶瓷及搪瓷等制造。存在露點腐蝕的設(shè)備,如使用高硫燃料的鍋爐,應(yīng)該把排氣溫度提高到露點(例如150℃左右)以上,可以避免或減緩省煤器的腐蝕。對環(huán)境溫度也要考慮。北方室外溫度較低,不宜選用容易發(fā)脆的聚氯乙烯等塑料。除考慮耐蝕性外,還應(yīng)考慮溫度對強度和剛度的影響。如鋁用于150℃以下,聚氯乙烯和聚乙烯用于60℃以下,氯化聚醚和尼龍用于120℃以下。聚四氟乙烯可用到260℃,天然橡膠只能用到65℃,合成橡膠可用到110 - 120℃。

設(shè)備局部溫度分布與波動也應(yīng)引起重視。如:加熱蒸汽“入口側(cè)”溫度高于介質(zhì)溫度;“加熱盤管表面”溫度高于介質(zhì)溫度;立式冷卻器往往殼程走液體,如果在最頂端沒設(shè)置排氣孔或排氣孔未予以啟用就會造成頂部存在“死氣層”,受傳熱作用,此處的換熱管溫度高于殼程平均溫度;一些間歇操作條件也可能導(dǎo)致溫度上升,如殘留濃硫酸被置換時的放熱反應(yīng)等。與上述局部過熱對應(yīng),局部溫度較低也會造成所謂的“冷點腐蝕”。其特點是設(shè)備或管道內(nèi)的介質(zhì)溫度高,處于氣相狀態(tài),對材料的腐蝕性并不大。但是當設(shè)備某些部分表面溫度低于氣體介質(zhì)的露點,氣體介質(zhì)就會形成強腐蝕性的冷凝液,強腐蝕性組分也可能在冷凝液中濃縮。容器或管道的支撐鋼架、接管、支腿、加強筋等處容易形成散熱點,造成局部溫度偏低,所對應(yīng)的內(nèi)壁容易形成冷點腐蝕。

⑤pH值。

pH值的大小不但會影響到材料的腐蝕速率、腐蝕陰極過程的性質(zhì),而且對金屬表面膜或腐蝕產(chǎn)物的溶解度也有重要影響。有些金屬材料在某種介質(zhì)中耐腐蝕,是因為恰好處于特定的pH值范圍。

⑥水含量

對于非水的腐蝕環(huán)境,例如腐蝕性氣體、固體物料、有機物質(zhì)、大氣等,其中水的含量往往對材料的選擇有重要影響。有的環(huán)境,越干燥對某些金屬的腐蝕性越嚴重。如:醇對鋁的腐蝕和酚對低碳鋼的腐蝕,當含有少量水時幾乎不腐蝕,當不含水時腐蝕加??;鈦在濕氯(含水量>0.5%)中耐蝕,在干氯氣中(含水量<0.5%)非但不耐蝕而且還會起火。相反,有些非水物質(zhì)在干燥時不腐蝕金屬,一旦吸水后就成為強腐蝕性物質(zhì)。如:氯化鎂、氯化鋁一旦吸水,生成強腐蝕性的鹽酸,對許多金屬的腐蝕性很嚴重。

水含量的波動也影響腐蝕速率,所謂“干千年,濕百年,不干不濕用半年”說的就是這種現(xiàn)象。

⑦應(yīng)力狀況

即使是常壓容器,也承受著許多外加機械載荷,壓力容器更承受著內(nèi)外壓力載荷。設(shè)備加工過程會產(chǎn)生不同程度的局部殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力會引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞開裂,選材時要避免此類材料與環(huán)境的組合。對難以避免的情況則應(yīng)采取有效措施消除應(yīng)力。

⑧壓力狀況

首先,不同的壓力容器對材料的強度、耐蝕性都會有不同的要求。其次,液體飽和蒸汽壓與壓力相關(guān),所以選材時應(yīng)考慮設(shè)備是處于高壓、低壓還是真空狀態(tài),是否存在壓力波動或壓力沖擊情況。如:減壓、溶存氧減少,對許多金屬材料提高耐蝕性有利,但對于不銹鋼,除應(yīng)力腐蝕開裂外,還會產(chǎn)生相反的效果。再次,由于壓力變動,從飽和溶液中逸出氣體,往往又成為嚴重侵蝕的原因,這在截斷面變化的管路或減壓閥中不可忽略。

⑨流速和攪拌

介質(zhì)的流動狀態(tài)會改變金屬的溶解速率,也會改變表面保護膜的穩(wěn)定性以及腐蝕的形態(tài)和機理,所以選材時應(yīng)考慮工藝介質(zhì)流速對腐蝕速率的影響。在擴散控制的腐蝕中,由于氧、硫化氫等的供給隨流速增大,碳銅的腐蝕速率增大。反之,在使用緩蝕劑的情況下,流速增大,緩蝕效果增強,腐蝕速率降低。在高速流動情況下,也有因金屬表面保護膜破壞而引起腐蝕加劇的情況發(fā)生。為防止沉積腐蝕,往往需要有一定的流速。當流體中混入固體顆粒時,要注意避免引起磨損腐蝕。

⑩副反應(yīng)和污染

選材時還應(yīng)考慮工藝反應(yīng)中是否有其他有害的副反應(yīng),是否會影響工藝流程、污染產(chǎn)品質(zhì)量、造成催化劑中毒或危及材料的使用。

⑩自然環(huán)境。選材時除了注意上述所列設(shè)備及管道內(nèi)的介質(zhì)條件外,還要考慮自然環(huán)境對設(shè)備及材料的影響。如各種工業(yè)大氣、海洋大氣對設(shè)備外部直至內(nèi)部的影響,自然環(huán)境的氣溫與濕度的影響等。工業(yè)區(qū)域大氣的腐蝕性比沙漠地區(qū)可能大50~100倍;鋼鐵在海岸附近的大氣腐蝕速率比在沙漠中大400~500倍。


材料性能

①耐蝕性

不光要考慮材料耐均勻腐蝕性能,也要考慮耐局部腐蝕性能。

②力學(xué)性能

綜合比較各種力學(xué)性能。有時選擇強度較低但對腐蝕不敏感的金屬材料,可能比選擇不能有效地進行熱處理的金屬材料更合理,因為后者往往對應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞敏感。

③物理性能

密度(計算腐蝕速率時需要)、熔點、導(dǎo)熱率、線膨脹系數(shù)等也應(yīng)加以考慮。如材料導(dǎo)熱率對換熱設(shè)備效率有很大影響,非金屬材料(石墨除外)導(dǎo)熱性均較差。選用設(shè)備防腐襯里時,應(yīng)考慮基體材料與襯里材料線膨脹系數(shù)的差異。

④加工性能

為提高耐蝕性能,可以考慮采用特殊的處理方法,如:特種焊接、消除應(yīng)力措施、表面硬化、表面噴涂、密封焊等。但需要注意的是,如果處置不當,任何加工制造方法都有加劇材料腐蝕破壞的可能。


材料價格和來源

有時材料價格和來源可能成為選材中的決定性因素,但需要經(jīng)過具體核算比較才能予以確定,其中的一些常見因素容易被忽略。

例如:某換熱器腐蝕比較嚴重,可以采用雙相不銹鋼或鈦換熱管。雙相不銹鋼與鈦的市場價格是變化的,不變的是材料的耐蝕性與材料的密度。此時的鈦換熱管規(guī)格為Φ25×1.5,雙相不銹鋼換熱管規(guī)格為Φ25×2.5;鈦材密度為4.51kg/cm3,雙相不銹鋼密度為7.70kg/cm3。材料按質(zhì)量記價,鈦材與雙相不銹鋼質(zhì)量之比為:(1. 5/2.5)×(4. 51/7. 70)≈1/3。參照兩種材料的市場價格就可以估算出材料的價格比,進而確定選材方案。此時壁厚和密度的差別不可忽略。

再例如:在比較單層不銹鋼(或有色金屬)板與相應(yīng)復(fù)合鋼板方案時需要綜合考慮腐蝕裕量、設(shè)備規(guī)格、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、加工難度與風(fēng)險、重要程度等因素。當各種復(fù)合鋼板成本明顯低于不銹鋼(或有色金屬)板的成本時,選擇復(fù)合鋼板才是合理的。此時復(fù)合鋼板的結(jié)構(gòu)特點不可忽略。





END


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