影响腐蚀的结构因素与防腐结构设计

影响腐蚀的结构因素与防腐结构设计第1页/共83页均匀腐蚀与局部腐蚀的区别

危害性：

均匀腐蚀速率可测、破坏易防－－腐蚀裕量

局部腐蚀局部腐蚀速率远远高于全面腐蚀、破坏无先兆、危害性大事故比例(日本十年化工机械破坏事例统计)：

均匀腐蚀：8.5%

局部腐蚀：88%（应力腐蚀45.6%，孔蚀21.6%，腐蚀疲劳8.5%，晶间腐蚀4.9%，高温氧化4.9%,氢脆3.0%）第2页/共83页局部腐蚀－－结构设计因素力学因素、几何因素、异种金属偶解等因素力学因素－－应力与腐蚀介质共同作用－－应力腐蚀、腐蚀疲劳、磨损腐蚀第3页/共83页应力腐蚀破裂（SCC）H2S溶液塔设备人孔衬里结构1—316L焊环2—20MnMo法兰3—316L衬里(3mm厚)4—316L人孔接管5—塔壁复合板（22g—316L）

贴合不好－－局部间隙－－应力过高－－运行45天后－－100mm轴向裂纹力学因素第4页/共83页碳钢碱泵应力腐蚀破裂泵体与管线刚性连接－－法兰处附加应力大－－应力腐蚀开裂力学因素第5页/共83页与其它设备管线连接的位差考虑不周－－管间空间死区－－溶液喷溅引起交替湿态与干态－－水中氯化物浓集－－不锈钢胀管颈部应力腐蚀开裂立式不锈钢冷凝器换热管应力腐蚀开裂力学因素第6页/共83页应力与破裂时间的关系－－有效应力低于某一应力水平就不会发生SCC－－应力值越大，到达破裂的时间越短。应力腐蚀产生条件

应力与腐蚀介质联合作用应力为拉应力：工作载荷、制造应力、装配应力（残余应力造成的SCC事故远高于工作应力所占比例，其中以焊接残余应力为最）力学因素第7页/共83页

应力腐蚀破裂速度潜伏期（诱导期）－－腐蚀引起裂纹或蚀坑，

受应力影响小，时间长－－约占破裂总时间的90%裂纹扩展阶段－－裂纹源或蚀坑发展到极限应力值破裂期－－失稳纯力学裂纹扩展阶段

SCC断裂速度约为0.01~3mm/h，远远大于无应力存在时的局部腐蚀速度（如孔蚀等），但又比单纯力学断裂速度小得多。例如，钢在海水中的SCC断裂速度为孔蚀的106倍，而比纯力学断裂速度几乎低10个数量级－－应力水平不同力学因素第8页/共83页（a）晶间裂纹；（b）穿晶裂纹；（c）混合型裂纹应力腐蚀破裂裂纹形态模式力学因素第9页/共83页（a）沿晶断裂（晶间裂纹）：碳钢、高强钢、铝合金、铜合金等，多半是沿晶断裂。（b）穿晶断裂（穿晶裂纹）：奥氏体不锈钢、镁合金等大多是穿晶断裂。（c）混合断裂（混合型裂纹）：钛合金应力腐蚀破裂裂纹形态金属－－环境体系不同，将出现不同的裂纹形态力学因素第10页/共83页

现有解释SCC机理的学说

电化学阳极溶解理论氢脆理论膜破裂理论化学脆化－机械破裂两阶段理论腐蚀产物楔入理论应力吸附破裂理论应力腐蚀机理

力学因素第11页/共83页

应力腐蚀破裂模型电化学阳极溶解理论应力腐蚀机理学说

力学因素第12页/共83页焊接、应力、冶金三方面材料一定：控制环境条件、消除(降低)应力

(1).降低设计应力，使最大有效应力或应力强度因子降低到临界值以下－－应力腐蚀破裂临界强度因子KISCC防止或减轻应力腐蚀的途径

力学因素第13页/共83页应力与裂纹深度的关系防止或减轻应力腐蚀的途径

力学因素第14页/共83页

每一种材料在特定的腐蚀介质中的KISCC是一个常数，可实验测定。一般KISCC=0.2~0.5KIC，随材料强度级别的提高，KISCC/KIC的比值下降。瞬时K1与时间曲线力学因素第15页/共83页薄壳体与厚板的焊接(2).合理设计与加工，减少应力集中力学因素第16页/共83页壳体接管焊接壳体与凸缘焊接力学因素第17页/共83页壳体与顶盖的厚壁容器开孔焊缝之间的等厚对焊接管焊接最小距离力学因素第18页/共83页球形容器两种拼接法

力学因素第19页/共83页管体中最大径向应力位置

力学因素第20页/共83页气轮机叶轮的SCC叶轮旋转时键槽边缘的应力分布叶轮的机械撕裂力学因素第21页/共83页(3).采用合理的热处理方法消除残余应力，或改善合金的组织结构，以降低对SCC的敏感性如：采用退火处理消除内应力(钢铁在500～600℃

处理0.5~1h，然后缓慢冷却；奥氏体不锈钢可以加热到900℃

左右再缓冷)(4).其它方法：合理选材、去除介质中有害成分、添加缓蚀剂、采用阴极保护等。力学因素第22页/共83页疲劳的

-N曲线1、力学疲劳曲线；2、腐蚀疲劳曲线；3、非铁金属的疲劳曲线腐蚀疲劳

腐蚀疲劳和大多数有色金属的纯力学疲劳一样，都不存在疲劳极限。力学因素第23页/共83页

疲劳断口特征示意图与应力腐蚀区别：裂纹多为穿晶型，且分支较少。腐蚀疲劳在任何介质中均有可能发生。力学因素第24页/共83页产生条件：腐蚀性流体、相对运动速度较高、流体中含固体颗粒等。与磨损的区别：磨损腐蚀过程金属仍以金属离子形式溶入溶液，而磨损是以粉末形式脱落。举例：离心泵叶轮、搅拌器、阀门、弯头、换热器入口管等。形式分类：湍流腐蚀、空泡腐蚀(汽蚀)、微振腐蚀等。化工装置常见前两种。磨损腐蚀

力学因素第25页/共83页脱碳溶液再沸器磨损腐蚀

力学因素第26页/共83页湍流腐蚀破坏形态示意图力学因素第27页/共83页

空泡腐蚀（汽蚀）历程汽泡在崩溃时产生的冲击波对金属表面起强烈的锤击作用，不仅能破坏表面膜，甚至可使膜下金属的晶粒产生龟裂和剥落。力学因素第28页/共83页叶轮入口侧的速度分布力学因素避免或减缓磨损腐蚀的办法：

合理的结构设计适当增大流体转向部分的曲率半径等结构设计尽量避免流道截面的突然变化。

正确选材选择能形成保护性好的表面膜的材料、提高材料的硬度。采用适当的涂层或阴极保护第29页/共83页18-8钢在充气NaCl溶液中孔腐蚀过程示意图孔蚀(点蚀、小孔腐蚀)表面状态第30页/共83页可钝化金属典型的“环状”阳极极化曲线第31页/共83页

孔蚀防止办法：主要从材料上考虑如何降低有害杂质的含量，和加入适量的能提高抗孔蚀能力的合金元素。设法降低介质中的尤其是卤素离子的浓度；结构设计时消除死区，防止溶液中有害物质的浓缩；采用阴极保护。表面状态第32页/共83页缝隙腐蚀一般缝隙为0.025~0.1mm工程结构：铆接板的结合面、螺纹连接、螺母压紧板、法兰垫片结合面、设备底板与基础的接触面等等。（有效缝隙是设计不合理造成的，有些从设计上难以避免）泥沙、污垢、灰尘等沉积在金属表面上，无形中亦形成了缝隙。几何因素第33页/共83页碳钢在海水中缝隙腐蚀过程示意图缝隙腐蚀一般缝隙为0.025~0.1mm几何因素第34页/共83页平底贮槽在基础上的支承方式几何因素第35页/共83页法兰垫片处的缝隙腐蚀几何因素第36页/共83页非连续焊接造成缝隙几何因素第37页/共83页贮槽出口接管几何因素第38页/共83页塔体刚性圈几何因素第39页/共83页列管换热器水箱示意图几何因素第40页/共83页异种金属组合因素异种材料组合-----接触部位局部腐蚀：电位较低的金属，溶解速度增大，电位较高的金属，溶解速度减小，电偶腐蚀、接触腐蚀、双金属腐蚀－－两种不同电极构成的宏观腐蚀电池。第41页/共83页异种材料组合结构实例异种金属组合因素第42页/共83页(1).正确选择相容性材料－－实验确定(2).设计合理的结构

尽量避免小阳极大阴极的结构－－小阴极：焊缝、螺钉、铆钉等阴极；将不同金属的部件彼此绝缘；插入第三种金属－－降低金属间电位差，或采用镀层过渡；将阳极部件设计成易于更换的，或增加厚度。防止电偶腐蚀的途径异种金属组合因素第43页/共83页法兰连接的正确绝缘防止电偶腐蚀异种金属组合因素第44页/共83页加中间金属的结构

异种金属组合因素第45页/共83页焊接缺陷与腐蚀（一）焊接表面缺陷－－焊瘤焊接因素第46页/共83页焊接表面缺陷－－咬边第47页/共83页

焊接缺陷与腐蚀（二）异种金属焊接碳钢－－不锈钢奥氏体不锈钢－－铁素体不锈钢复合钢板的焊接钎焊：铜焊、锡焊、银焊避免焊缝金属电位远低于母材金属的小阳极焊接因素第48页/共83页（a）垂直焊缝方向（b）平行焊缝方向焊接碳钢板应力分布一例焊接因素焊接缺陷与腐蚀（三）焊接残余应力第49页/共83页焊接因素

焊接缺陷与腐蚀（四）焊接热影响区焊缝热影响区各处所经历的焊接热循环是不同的，即焊接热影响区各点实际相当于经历了一次不同规范的热处理，必然有相应的组织变化，如出现晶粒长大、相变重结晶等。当金属含有大量合金元素时，其组织保护复杂。在某些情况下晶间变得非常活泼，而发生严重的局部腐蚀，如奥氏体不锈钢焊缝的晶间腐蚀。第50页/共83页304型不锈钢电弧焊焊缝热影响区的温度分布焊接因素第51页/共83页晶间腐蚀机理－－贫铬理论

奥氏体不锈钢在450～850℃长时间加热（如焊接），焊缝两侧2～3mm处将被加热到这个温度范围的所谓晶间腐蚀敏化区，此时晶间的铬和碳化合成为

(Cr、Ni、Fe)4C、(Cr、Fe、Ni)7C3或Cr23C6，从固溶体中沉淀出来，生成的碳化物，每1%C约需10～20%Cr，导致晶间铬含量降低。当与腐蚀介质接触时，晶间贫铬区相对于碳化物和固溶体其他部分将形成小阳极对大阴极的微电池，而发生严重的晶间腐蚀。

700～750℃温度区最为危险。焊接因素第52页/共83页晶间腐蚀与温度、时间关系焊接因素第53页/共83页防止晶间腐蚀的方法

(1)固溶处理

加热到1050~1150℃，使焊接时析出的碳化铬重新溶入奥氏体内，再在水中冷却，即经淬火进入一次稳定区。此法工艺比较复杂，且构件淬火易变形，仅适宜于小工件。第54页/共83页防止晶间腐蚀的方法

(2)稳定化退火

加热到850~900℃保温2~5h后空冷，因为在这个温度区内，元素在金属中的扩散相当迅速，使晶粒各处的铬量均匀，进入二次稳定区。第55页/共83页防止晶间腐蚀的方法

(3)超低碳法

控制焊缝的含碳量低于0.04%，可大大降低碳化铬的析出量。随着冶炼技术的提高，现在超低碳不锈钢的应用日益广泛。第56页/共83页防止晶间腐蚀的方法

(4)合金化法

加入钛、铌、钽等比铬亲碳能力更强的元素，使用碳与这些合金元素优先形成碳化物析出，起到稳定奥氏体内铬含量的作用，避免贫铬。这些合金元素中，以钛最好，因为它能同时起到细化晶粒的作用，所以如含Ti稳定型的18-8钢，应用十分广泛。第57页/共83页防止晶间腐蚀的方法

(5)其它方法

通过焊接材料向焊缝掺入铁素体形成元素(钛、铝、硅等)，使焊缝呈奥氏体－铁素体双相组织，也能提高抗晶间腐蚀能力。第58页/共83页不同断面焊接－－减小焊缝处应力防蚀结构设计（1）.不同断面的焊接第59页/共83页防蚀结构设计（2）.不同金属间的焊接不要把与介质接触的器壁熔透－－避免组织变化－－防止晶间腐蚀、选择性腐蚀第60页/共83页消除紧固件焊缝异种金属间的绝缘法兰变形出现缝隙防蚀结构设计（3）.螺纹连接－－减少出现缝隙腐蚀的条件第61页/共83页管子-管板联接(管孔倒圆、管口不伸出管板)防蚀结构设计（4）.管子与管板连接－－管子贴合管板－－避免缝隙腐蚀、应力腐蚀第62页/共83页防蚀结构设计（5）.管道连接－－优先采用对接焊第63页/共83页轴联接结构防蚀结构设计（6）.轴的连接－－改善应力分布－－防止应力腐蚀、腐蚀疲劳第64页/共83页轴的锥形过盈联接(键处可能产生摩擦腐蚀)防蚀结构设计第65页/共83页防蚀结构设计（7）.设备夹套的焊接－－避免缝隙－－避免缝隙腐蚀、应力腐蚀第66页/共83页壳体的保温－－要求支腿与壳体同时绝热保温

防蚀结构设计（8）.壳体的保温－－避免出现露点腐蚀第67页/共83页绝缘层外的保护板－－避免水分（含雨水）渗过绝热层腐蚀设备第68页/共83页氨合成塔环隙冷却防蚀结构设计（9）.壳体的冷却－－避免出现高温腐蚀第69页/共83