压力容器选材需考虑那些因素？
时间：2023-05-26 阅读：1176
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。
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。
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。