第一章化工设备机械基础-3

化工设备机械基础第一章化工设备材料及其选择

第三讲上节回顾与联系硬度韧性材料的物理、化学和加工工艺性材料的分类钢材牌号的命名规则Q235A16MnVR18MnMoNb1Cr18Ni9Ti0Cr1300Cr19Ni10铁碳合金的组织结构钢的热处理上节回顾与联系铝及其合金：其钝化性可用来制造浓硫酸设备；铜及其合金：纯铜、黄铜、青铜、紫铜；铅及其合金钛及其合金：还可用于航空与医疗2.有色金属1、纯铜（紫铜）牌号表示法:汉语拼音：T1、T2、T3、T4。.号数越大，其杂质含量越高，TU代表无氧铜。a、铜的特点：导电、导热性能好使用温度：－196℃～250℃。耐醋酸、盐酸、苛性碱。不耐硝酸、硫化氢、氨、铵盐及氰化钾。铜及其合金b、用途T1……T4用于动力电缆等。TU1、TU2用于真空仪表及精密仪表。TUMn用于电子管类2、黄铜Cu＋Zn（铜锌合金）牌号：H62、H68、H80，数字表示铜含量的百分数，其余为锌Zn。a、特点强度比纯铜高，但不耐腐蚀。若加入1％左右的锡Sn，可提高耐海水腐蚀的能力，即海军铜HSn70－1。

b、用途换热器及汽轮机冷凝器的管子、深冷设备的垫片。铝及其合金Al

1、工业纯铝牌号：L2、L3、L4，在牌号前加Y表示冷作硬化铝YL2，加M表示退火铝ML2。a、特点比重轻，熔点低，导电、导热性能好，低温冲击韧性ak值高，耐酸，不耐碱和盐温度：－196℃

～150℃b、用途辐射热的反射率高达95％，不产生火花，在保温上，可用于－196℃贮槽及冷箱。2、防锈铝在铝的基础上加Mg和Mn的合金。牌号：LF2、LF3、LF5、LF11、LF21a、特点强度比纯铝高，塑性好，耐腐蚀性好，焊接性好，使用温度：－196℃～66℃b、用途用于深冷设备热塑性材料与热固性材料PVCPE：HDPE、LDPEPMMAPTFE3.非金属材料化工设备腐蚀与防腐例：油轮钢腐蚀最大均匀腐蚀速率>0.1mm/y最大点蚀速率~4mm/y25℃干湿交替50℃例：油气工业采集和输送过程中使用大量弯头、三通等复杂部件，其多以高温高压流体的冲刷腐蚀失效为主水下油气田生产设施油气田中出现的冲刷腐蚀失效腐蚀的定义50年代，腐蚀的定义仅指金属的腐蚀：“在周围介质作用下，由于化学反应、电化学反应或物理溶解而产生的金属破坏。”

50年代后，随着非金属材料的发展，腐蚀定义扩大到所有的材料:－“由于材料和它所处的环境发生反应使材料和材料的性质发生恶化的现象”－“腐蚀是由于物质与周围环境的作用而产生的破坏”非金属材料－老化腐蚀的定义定义：腐蚀是材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产生的损坏或变质现象,包括化学、电化学与机械因素或生物因素的共同作用；根据反应类型划分腐蚀种类：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理溶解腐蚀腐蚀的定义包括了化学、电化学、物理学的内容，腐蚀的发生往往与磨损、断裂等的同时进行；腐蚀学是交叉学科（边缘学科），涉及到金属学、电化学、物理化学、流体力学、固体力学等，是一门应用性很强的学科。

铁的自然循环

炼钢矿化铁矿石钢铁生锈钢铁热力学－自发过程（热力学第二定律）铁锈金属为何会发生腐蚀？炼铁、炼钢过程腐蚀过程钢铁矿石能级增大放出能量外加热、电能量磁铁矿：Fe3O4赤铁矿：Fe2O3腐蚀是自发进行的现象－向自然界的回归腐蚀的影响1、在化学工业、炼油、石油化工、造纸等工业中，金属腐蚀造成设备的跑、冒、滴、漏可造成大量有毒的物质泄漏，污染环境，危害人民的健康

2、每年由于腐蚀可使大约10～20％的金属损失掉了。2003年世界的钢产量达到9.625亿吨，中国的钢产量高达2.2亿吨，美国的钢产量为0.914亿吨

3、世界每年腐蚀掉的钢大于美国的钢产量；中国一年就有2200万吨钢被腐蚀掉了，相当于腐蚀掉一个大型钢铁企业的年产量腐蚀事故举例1966年某天然气井的套管发生硫化物应力腐蚀开裂，造成井喷和特大爆炸，人员伤亡，日产百万立方米的高产气井报废。1971年某天然气管线发生腐蚀断裂，产生爆炸，直接经济损失达7000万元。1985年日本的一架波音747客机，由于应力腐蚀断裂而坠毁，死亡500余人。1997年某化工厂18个乙烯原料储罐由于硫化物腐蚀引起大火，停产半年，直接损失达2亿多元，间接损失巨大。腐蚀损失调查数据材料腐蚀带来的经济损失约占国民生产总值的1.8～4.2％左右

1975年，美国由于金属腐蚀造成的经济损失约为700亿美元，为当年国民生产总值的4.2％，是当年水灾、火灾、地震、飓风等自然灾害损失（125亿美元）的5倍多。我国1980年十家化工企业由于腐蚀造成的经济损失约为当年生产总值的3.9％，这个数值与许多国家进行的全面腐蚀损失调查的结果大体相当。

2002年中国工程院的调查结果表明，我国腐蚀损失（包括直接和间接损失）达到4979.2亿元。国外腐蚀损失调查结果CountryDirectCostIndirectCostUSA303.76200(approximately)Japan59.02Germany49.26UK8.51Australia7.32Belgium6.75India3.78Poland3.53Canada3.38...............Global510.14940(approximately)2004年公布数据金属（电化学）腐蚀的分类1.自然环境腐蚀（1）大气腐蚀－最普通的腐蚀（2）土壤腐蚀－最复杂的腐蚀（3）水环境（淡水和海水）腐蚀－最苛刻的腐蚀（4）微生物腐蚀－无处不在2.工业环境腐蚀（1）在酸性溶液中的腐蚀；（2）在碱性溶液中的腐蚀；（3）在盐类溶液中的腐蚀；（4）在工业水中的腐蚀；（5）在熔盐中的腐蚀；（6）在液态金属中的腐蚀（物理溶解腐蚀）按照腐蚀环境划分金属（电化学）腐蚀的分类1.全面腐蚀（也称为均匀腐蚀）均匀的全面腐蚀不均匀的全面腐蚀2.局部腐蚀电偶腐蚀点腐蚀（孔蚀、点蚀）缝隙腐蚀晶间腐蚀选择性腐蚀氢致开裂（也称氢脆）应力腐蚀断裂（也称为应力腐蚀）腐蚀疲劳磨损腐蚀。。。。。。按照腐蚀形态划分主要的局部腐蚀示意图重量指标：金属因腐蚀而发生的重量变化，换算成相当于单位金属表面积于单位时间内重量变化的数值,常用单位：mg/cm2h

深度指标：金属的厚度因腐蚀而减少的量，以长度单位表示，并换算成单位时间的数值，常用单位：mm/a电流指标：用腐蚀金属的阳极电流密度的大小，衡量金属腐蚀速度的快慢，常用单位：mA/cm2金属腐蚀速度的表示法1.金属腐蚀的评定方法一般只应用于均匀腐蚀。(1).根据重量变化来评定金属的腐蚀(2).根据腐蚀深度来评定金属的腐蚀金属与介质之间单纯由化学变化所引起的腐蚀(无电流产生)。钝化作用活化作用2.金属腐蚀的分类2.1化学腐蚀2.1.1金属的高温氧化及脱碳防止办法：可添加适量的合金元素如铬、硅、铝等。2.1.2氢腐蚀在较低的温度和压力下，氢气一般对普通碳钢不会有明显的腐蚀，但在高温高压下则能使材料的机械性能和塑性发生显著下降；在合成氨工业中，就需要特别注意氢腐蚀现象的发生；氢腐蚀分为两个阶段：氢脆阶段：氢气直接被钢材吸附，并以原子状态向钢材内部扩散，溶解在铁素体中形成固溶体，此时并未发生化学变化，但是钢材显著变脆，塑性减少。氢侵蚀阶段：这时氢气与渗碳体发生化学反应

这一化学反应常发生在晶界处，生成的甲烷气聚集在晶界原有的微观孔隙中，形成局部高压，引起应力集中，使晶界变宽，发生更大的裂纹，或在钢材表层夹杂等缺陷中形成鼓泡，使机械性能降低。

防止办法：降低钢中的碳含量，使其没有渗碳体的析出；添加合金元素，如铬、钛、钼、钨、钒等，形成稳定的碳化物2.2电化学腐蚀电化学腐蚀：有电流产生；电化学腐蚀发生的三个必要条件阳极过程阴极过程电子流动3.金属腐蚀破坏的形式两种相互接触的不同金属浸在腐蚀介质中，由于存在电位差，其中电位较低的金属往往会受到腐蚀；防止办法：可将处于腐蚀介质中的不同金属连接用绝缘材料隔开。4.几种特殊的腐蚀形式(1).电偶腐蚀(双金属腐蚀)避免电偶腐蚀的例子金属在固定拉应力和特定介质的共同作用下所引起的破裂;这里所说的拉应力,其来源可以是残余内应力、也可以是构件在使用过程中所承受的各种应力；压应力不会产生应力腐蚀；使材料发生应力腐蚀的介质不是一般的介质，而是特定的介质。(2).应力腐蚀防止应力腐蚀的办法：合理选材、控制应力、减弱介质的浸蚀性、消除残余应力，避免应力集中。金属部件在介质中，如若金属与金属或金属与非金属之间存在特别小的缝隙，使缝隙内的介质处于滞留状态，从而引起缝内金属的加速腐蚀。几乎所有的金属和合金都会产生缝隙腐蚀，只是对腐蚀的敏感性有所不同，不锈钢的敏感性比碳钢高；几乎所有的介质都可能产生缝隙腐蚀，其中以充气的含活性阴离子(如氯离子)的中性介质最易发生;(3).缝隙腐蚀应尽量避免形成缝隙,采用焊接比螺栓连接好；罐体不要直接置于多孔性基底上，应加支架或支座；设计的容器要能使液体能完全排净；避免锐角和静滞区。法兰连接垫片尽可能是不吸水的，如聚四氟乙烯材料。防止缝隙腐蚀的方法:在金属表面的局部地区出现向深处发展的腐蚀小孔，这些小孔有的孤立存在，有些则紧凑在一起，看上去像一片粗糙的表面，这种腐蚀形态称为点腐蚀；破坏性大，而且不易发现；易钝化的金属与合金如铝、钛合金，在含有氯离子的介质中很容易发生点腐蚀；点腐蚀通常发生在静滞的液体中，提高流速会减轻点腐蚀，如打海水的水泵如连续运转使用很好，但一旦停止使用一段时间，就会发生点腐蚀；防止办法：同缝隙腐蚀。(4).点腐蚀腐蚀沿着晶界和它邻近区域产生和发展，而晶粒本身的腐蚀却很轻微，这种腐蚀称为晶间腐蚀；晶间腐蚀会使晶粒间的结合力大大削弱，严重时使机械性能完全丧失，如遭受晶间腐蚀的不锈钢，表面看起来完好无损，一敲则成碎粒；防止办法：在不锈钢中加入钛、铌；采用超低碳不锈钢，如00Cr18Ni19。(5).晶间腐蚀同时存在着腐蚀和机械磨损，两者互相加速的腐蚀称为磨损腐蚀；如：运动的螺旋桨可使液体蒸汽压降低，从而使液体蒸发成气泡，当到一定程度时，气泡破裂的冲击波(可达140MPa)使金属表面的保护膜受到破坏，加剧了腐蚀。(6).磨损腐蚀用耐腐蚀性更强的金属或合金包覆在设备表面；用非金属(如瓷砖、有机物)保护层。5.金属设备的防腐措施

衬覆保护层

电化学保护阴极保护阳极保护在被保护金属设备上连接一个更负的电极(强阳极)，促使阴极极化(牺牲阳极保护)；将被保护的金属设备与直流电源的负极相连，依靠外加阴极电流进行阴极极化而使金属得到保护；被保护金属设备接阳极，形成钝化作用；只有当金属在介质中能钝化时才能应用，技术复杂，用得不多。

添加缓蚀剂腐蚀防护的基本途径（1）提高金属本身的耐蚀性：如不锈钢、镍基合金从材料的热力学稳定性和控制腐蚀动力学两个角度出发提高材料的抗蚀性；（2）改变环境（介质处理）：降低环境的腐蚀性，如除去大气中的SO2，在水溶液中除O2，改变溶液的pH值，在环境中加入缓蚀剂等；（3）采用覆盖层：采用金属和非金属涂层、改变材料的表面结构，使材料表面具有耐蚀的特性；采用衬里、防锈油、防锈纸等，将材料与腐蚀介质隔开，腐蚀防护的基本途径（4）采用电化学保护（电保护）：对于金属的电化学腐蚀可通过阴极极化降低氧化反应速度，或通过实现阳极钝化来以达到防腐目的；（5）正确选材和合理设计：