压力容器选材需考虑的因素

原创 胡伟明  2021-04-29 20:56:00  阅读 38 次 评论 0 条
摘要:

1.设备使用条件①介质组成和浓度。一般随介质浓度增大,腐蚀速率增大,但也不尽如此。如碳钢和不锈钢在50%的硫酸中腐蚀最严重,而当浓度增大到60%以上时腐蚀速率反而急剧减小。铅则相反,硫酸浓度越低,腐蚀速率越小,但浓度超过96%时,腐蚀速率增大。不锈钢在醋酸中的腐蚀速率,以80%~90%最大。铝和铝合金在10%~15%的硫氰酸钠溶液中腐蚀速率最大。对于介质的浓度,除了要注意整体浓度还要注意浓度的不均匀问题。混合物料(如有机化合物)中含有的某一种腐蚀性介质浓度可能并不高,但是相对于物料中的水则可能是

1.设备使用条件

①介质组成和浓度。

一般随介质浓度增大,腐蚀速率增大,但也不尽如此。如碳钢和不锈钢在50%的硫酸中腐蚀最严重,而当浓度增大到60%以上时腐蚀速率反而急剧减小。铅则相反,硫酸浓度越低,腐蚀速率越小,但浓度超过96%时,腐蚀速率增大。不锈钢在醋酸中的腐蚀速率,以80%~90%最大。铝和铝合金在10%~15%的硫氰酸钠溶液中腐蚀速率最大。

对于介质的浓度,除了要注意整体浓度还要注意浓度的不均匀问题。混合物料(如有机化合物)中含有的某一种腐蚀性介质浓度可能并不高,但是相对于物料中的水则可能是高浓度介质;干湿交替环境会使表面液膜中的腐蚀性介质(杂质)因蒸发而浓缩,造成局部区域浓度比本体溶液高许多。

选材时,若浓度变动范围包含腐蚀率突变边缘,就须特别注意,此时应选择能耐任一浓度的材料。

②溶存氧、氧化剂和还原剂。

选材时应先确定环境中有无氧化剂或还原剂,这在许多情况下对腐蚀起决定作用。如脱氧铜制成的醋酸提浓塔,由于氧的混入,加速了腐蚀。碳钢制的二甲基亚砜回收槽也有同样的情况。如果是强氧化性介质,可以考虑采用在氧化剂作用下易钝化的材料,如不锈钢、钛、铝等;如果是还原性酸,则可以考虑采用某些非金属材料。

③混酸、混液和杂质的含量。

混酸、混液的腐蚀性与单一组分有所不同。选材时往往只注意工艺介质中的重要成分,而忽略其杂质的情况时有发生。而微量杂质有时却是产生腐蚀的重要因素。如含钼铜的铬镍奥氏体不锈钢制醋酸回收塔,由于醋酸中甲酸含量增大和Cl-的混入,使腐蚀速率急剧上升。微量的氨或NH4CI则会引起铜和铜合金的应力腐蚀开裂,CI-造成奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂。硫也是一种有害杂质,原油中硫含量高,将直接影响炼油设备使用寿命。如果从工艺角度做一些改变,比如对物料进行净化,除去对腐蚀影响很大的杂质,可能会使腐蚀问题迎刃而解,取得事半功倍的效果。

④温度及温度分布。

选材时应了解设备是处于高温还是低温,温度梯度分布状况,有无急冷或急热的热冲击。均匀腐蚀或局部腐蚀都有一个临界温度。如常温醋酸可选铝材,40~70℃应选18-10不锈钢,80-135℃应选超低碳含钼不锈钢,135℃以上选用钛材。对温度剧变设备,不能用高硅铸铁、陶瓷及搪瓷等制造。存在露点腐蚀的设备,如使用高硫燃料的锅炉,应该把排气温度提高到露点(例如150℃左右)以上,可以避免或减缓省煤器的腐蚀。对环境温度也要考虑。北方室外温度较低,不宜选用容易发脆的聚氯乙烯等塑料。除考虑耐蚀性外,还应考虑温度对强度和刚度的影响。如铝用于150℃以下,聚氯乙烯和聚乙烯用于60℃以下,氯化聚醚和尼龙用于120℃以下。聚四氟乙烯可用到260℃,天然橡胶只能用到65℃,合成橡胶可用到110 - 120℃。

设备局部温度分布与波动也应引起重视。如:加热蒸汽“入口侧”温度高于介质温度;“加热盘管表面”温度高于介质温度;立式冷却器往往壳程走液体,如果在最顶端没设置排气孔或排气孔未予以启用就会造成顶部存在“死气层”,受传热作用,此处的换热管温度高于壳程平均温度;一些间歇操作条件也可能导致温度上升,如残留浓硫酸被置换时的放热反应等。与上述局部过热对应,局部温度较低也会造成所谓的“冷点腐蚀”。其特点是设备或管道内的介质温度高,处于气相状态,对材料的腐蚀性并不大。但是当设备某些部分表面温度低于气体介质的露点,气体介质就会形成强腐蚀性的冷凝液,强腐蚀性组分也可能在冷凝液中浓缩。容器或管道的支撑钢架、接管、支腿、加强筋等处容易形成散热点,造成局部温度偏低,所对应的内壁容易形成冷点腐蚀。

⑤pH值。

pH值的大小不但会影响到材料的腐蚀速率、腐蚀阴极过程的性质,而且对金属表面膜或腐蚀产物的溶解度也有重要影响。有些金属材料在某种介质中耐腐蚀,是因为恰好处于特定的pH值范围。

⑥水含量

对于非水的腐蚀环境,例如腐蚀性气体、固体物料、有机物质、大气等,其中水的含量往往对材料的选择有重要影响。有的环境,越干燥对某些金属的腐蚀性越严重。如:醇对铝的腐蚀和酚对低碳钢的腐蚀,当含有少量水时几乎不腐蚀,当不含水时腐蚀加剧;钛在湿氯(含水量>0.5%)中耐蚀,在干氯气中(含水量<0.5%)非但不耐蚀而且还会起火。相反,有些非水物质在干燥时不腐蚀金属,一旦吸水后就成为强腐蚀性物质。如:氯化镁、氯化铝一旦吸水,生成强腐蚀性的盐酸,对许多金属的腐蚀性很严重。

水含量的波动也影响腐蚀速率,所谓“干千年,湿百年,不干不湿用半年”说的就是这种现象。

⑦应力状况

即使是常压容器,也承受着许多外加机械载荷,压力容器更承受着内外压力载荷。设备加工过程会产生不同程度的局部残余应力。这些应力会引发应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳开裂,选材时要避免此类材料与环境的组合。对难以避免的情况则应采取有效措施消除应力。

⑧压力状况

首先,不同的压力容器对材料的强度、耐蚀性都会有不同的要求。其次,液体饱和蒸汽压与压力相关,所以选材时应考虑设备是处于高压、低压还是真空状态,是否存在压力波动或压力冲击情况。如:减压、溶存氧减少,对许多金属材料提高耐蚀性有利,但对于不锈钢,除应力腐蚀开裂外,还会产生相反的效果。再次,由于压力变动,从饱和溶液中逸出气体,往往又成为严重侵蚀的原因,这在截断面变化的管路或减压阀中不可忽略。

⑨流速和搅拌

介质的流动状态会改变金属的溶解速率,也会改变表面保护膜的稳定性以及腐蚀的形态和机理,所以选材时应考虑工艺介质流速对腐蚀速率的影响。在扩散控制的腐蚀中,由于氧、硫化氢等的供给随流速增大,碳铜的腐蚀速率增大。反之,在使用缓蚀剂的情况下,流速增大,缓蚀效果增强,腐蚀速率降低。在高速流动情况下,也有因金属表面保护膜破坏而引起腐蚀加剧的情况发生。为防止沉积腐蚀,往往需要有一定的流速。当流体中混入固体颗粒时,要注意避免引起磨损腐蚀。

⑩副反应和污染

选材时还应考虑工艺反应中是否有其他有害的副反应,是否会影响工艺流程、污染产品质量、造成催化剂中毒或危及材料的使用。

⑩自然环境。选材时除了注意上述所列设备及管道内的介质条件外,还要考虑自然环境对设备及材料的影响。如各种工业大气、海洋大气对设备外部直至内部的影响,自然环境的气温与湿度的影响等。工业区域大气的腐蚀性比沙漠地区可能大50~100倍;钢铁在海岸附近的大气腐蚀速率比在沙漠中大400~500倍。

2.材料性能

①耐蚀性

不光要考虑材料耐均匀腐蚀性能,也要考虑耐局部腐蚀性能。

②力学性能

综合比较各种力学性能。有时选择强度较低但对腐蚀不敏感的金属材料,可能比选择不能有效地进行热处理的金属材料更合理,因为后者往往对应力腐蚀、腐蚀疲劳敏感。

③物理性能

密度(计算腐蚀速率时需要)、熔点、导热率、线膨胀系数等也应加以考虑。如材料导热率对换热设备效率有很大影响,非金属材料(石墨除外)导热性均较差。选用设备防腐衬里时,应考虑基体材料与衬里材料线膨胀系数的差异。

④加工性能

为提高耐蚀性能,可以考虑采用特殊的处理方法,如:特种焊接、消除应力措施、表面硬化、表面喷涂、密封焊等。但需要注意的是,如果处置不当,任何加工制造方法都有加剧材料腐蚀破坏的可能。

3.材料价格和来源

有时材料价格和来源可能成为选材中的决定性因素,但需要经过具体核算比较才能予以确定,其中的一些常见因素容易被忽略。

例如:某换热器腐蚀比较严重,可以采用双相不锈钢或钛换热管。双相不锈钢与钛的市场价格是变化的,不变的是材料的耐蚀性与材料的密度。此时的钛换热管规格为Φ25×1.5,双相不锈钢换热管规格为Φ25×2.5;钛材密度为4.51kg/cm3,双相不锈钢密度为7.70kg/cm3。材料按质量记价,钛材与双相不锈钢质量之比为:(1. 5/2.5)×(4. 51/7. 70)≈1/3。参照两种材料的市场价格就可以估算出材料的价格比,进而确定选材方案。此时壁厚和密度的差别不可忽略。

再例如:在比较单层不锈钢(或有色金属)板与相应复合钢板方案时需要综合考虑腐蚀裕量、设备规格、结构复杂程度、加工难度与风险、重要程度等因素。当各种复合钢板成本明显低于不锈钢(或有色金属)板的成本时,选择复合钢板才是合理的。此时复合钢板的结构特点不可忽略。


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