淺談雙相不銹鋼在堿腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用

尹志敏，張 婧

（新地能源工程技術(shù)有限公司，河北石家莊 050000）

淺談雙相不銹鋼在堿腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用

尹志敏，張 婧

（新地能源工程技術(shù)有限公司，河北石家莊 050000）

對某化工項目中的6臺壓力容器運行工況分析，通過實驗數(shù)據(jù)及論證，探討雙相不銹鋼S22053耐堿腐蝕的性能，從而為類似工況下的壓力容器選材提供借鑒。

雙相不銹鋼；壓力容器；堿腐蝕

在某化工項目中，有一臺壓力容器，設(shè)備直徑4 200mm，直筒段高度為6.5m，上、下封頭采用標準橢圓形封頭，壓力容器內(nèi)筒設(shè)計壓力為2.0MPa，設(shè)計溫度為220℃，介質(zhì)為水、煤灰渣（29.4%）和NaOH（6.05%），容器內(nèi)設(shè)置有攪拌裝置，通過槳葉旋轉(zhuǎn)，物料在容器內(nèi)充分混合和反應(yīng)。在本設(shè)備中，運行工況苛刻，高溫下的堿腐蝕和煤灰渣對普通容器鋼板有很強的腐蝕和沖刷，設(shè)計單位原定方案為Q345R堆焊哈氏合金N10276，造價高昂。本文通過實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，論證雙相不銹鋼S22053的耐堿腐蝕情況。

1 關(guān)于S22053雙相不銹鋼

S22053牌號的不銹鋼，是一種使用最為廣泛的的雙相不銹鋼，由鉻、鉬及、鎳、氮等元素構(gòu)成的復(fù)式不銹鋼。其中添加N元素可以使焊接狀態(tài)下熱影響區(qū)的韌性和耐蝕性能接近于基體金屬的性能，還可以降低有害金屬間相的形成速率。S22053的化學(xué)成分如表1所示：

表1 S22053的化學(xué)成分及含量（%）

S22053不銹鋼的復(fù)式微觀結(jié)構(gòu)有助于提高其抗應(yīng)力裂隙腐蝕的能力。它具有高強度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗應(yīng)力腐蝕能力。S22053兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高，熱膨脹系數(shù)更低，導(dǎo)熱性更高[1]。S22053 不銹鋼焊接性很好，其所要達到的性能為焊接金屬和熱變質(zhì)部分仍然保持和基底金屬同樣的抗腐蝕能力、強度及韌性。但是，雙相不銹鋼S22053仍具有高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向，不宜在高于300℃的溫度下使用[2]。

2 堿環(huán)境下的腐蝕

在較高溫度和一定濃度的氫氧化鈉溶液的特定環(huán)境下，熱堿溶液會對碳鋼或合金鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，這種現(xiàn)象俗稱堿脆或苛性堿脆化。

鋼堿脆的機理目前還沒有統(tǒng)一的認識。一般主伙是碳鋼在高溫下與水蒸氣產(chǎn)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

在這個反應(yīng)中，氫氧化鈉起著催化作用，其反應(yīng)過程機理是：

反應(yīng)生成的Fe3O4覆蓋在鋼的表面，形成一層保護膜。但可能由于過高的局部拉伸應(yīng)力會使局部區(qū)域的保護膜遭到破壞，也可能由于氫氧化鈉在表面富集使Fe3O4被溶解，或由于這兩種情況的聯(lián)合作用，在金屬表面形成最初的腐蝕裂紋，氫氧化鈉富集在裂紋中，形成電化學(xué)腐蝕。裂紋的尖端區(qū)域成為陽極，而裂紋周圍的保護層成為陰極，再加上拉伸應(yīng)力的作用，使裂紋迅速擴展，最終導(dǎo)致斷裂。

3 耐堿腐蝕性能

為了驗證雙相不銹鋼在高溫下抵抗堿腐蝕的性能，進行了掛片失重實驗，將一定表面積的試件浸泡在一定溫度和濃度的NaOH溶液中，一定時間后，取出試件，利用分析天平對試件實驗前后的進行稱重，通過雙相不銹鋼S22053試件在堿性溶液中的質(zhì)量減少量，計算該種材料的腐蝕速率，判斷材料的耐腐蝕性能。實驗結(jié)果如表2所示：

表2 耐堿腐蝕實驗數(shù)據(jù)

式中υ：年均腐蝕速率（mm/a）

m0：試件實驗前質(zhì)量（g）

m1：試件實驗后質(zhì)量（g）

S：試件的表面積（mm2）

h：試驗時間（h）

ρ：試件的密度（7 800kg/m3）

利用實驗數(shù)據(jù)，代入以上公式，計算得到試件的年均腐蝕速率為：

υ=0.105mm/a

金屬材料按照腐蝕率大小，可分為4個等級[3]，如表3所示。

表3 腐蝕評價

另外，在工程應(yīng)用中，反應(yīng)類的壓力容器的設(shè)計使用壽命，一般設(shè)置為15～20a，以20a計，10%濃度的NaOH溶液環(huán)境下，介質(zhì)對雙相不銹鋼的腐蝕量為0.105×20=2.1mm，即雙相不銹鋼對于堿性環(huán)境，具有一定的耐腐蝕能力。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮安全可靠性及經(jīng)濟性，選用常用的容器鋼板Q345R作為基材承壓元件，耐腐蝕方面考慮堆焊4mm厚的S22053雙相不銹鋼，同時，考慮高速物料對容器壁面的沖刷磨損腐蝕，且目前在行業(yè)內(nèi)還沒有在相同的工況下的實際運行經(jīng)驗和沖蝕數(shù)據(jù)支撐，物料對容器避免的沖蝕磨損數(shù)據(jù)還不清晰。為了保障容器的最小承壓壁厚要求，設(shè)計與物料接觸部分的壁面在堆焊的基礎(chǔ)上焊接2mm厚的S22053雙相不銹鋼，在設(shè)備運行過程中，定期對容器鋼板進行測厚，如果減薄嚴重，及時更換內(nèi)襯2mm厚的S22053鋼板。保證容器不會由于鋼板腐蝕嚴重，導(dǎo)致應(yīng)力過大產(chǎn)生容器破壞和安全生產(chǎn)事故。

5 經(jīng)濟性分析

原預(yù)定設(shè)計方案中，選材為：Q345R+堆焊哈氏合金N10276（30mm+6mm），如采用S22053雙相不銹鋼耐蝕方案，則結(jié)構(gòu)設(shè)計為：Q345R+復(fù)合S22053+焊接S22053（30mm+ 4mm+2mm）。兩種方案經(jīng)濟性對比如表4所示。

表4 經(jīng)濟性對比

續(xù)表

6 結(jié)束語

綜上所述在低濃度和高溫的堿性環(huán)境中，采用普通壓力容器低合金鋼板作為主要的承壓元件，通過設(shè)計復(fù)合+內(nèi)襯焊接的結(jié)構(gòu)形式，可以起到耐低濃度高溫堿性介質(zhì)的堿腐蝕，保證壓力容器安全的前提下，大幅度降低了設(shè)備的投資費用。

[1] 樂平，劉雪燕，郁涼峰，等.00CrNi5Mo3N中合金雙相不銹鋼的熱處理[J].熱處理.2009，24（5）：50-52.

[2] 吳玖 雙相不銹鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

[3] 左景伊，左禹.腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

Application of Duplex Stainless Steel in Alkali Corrosion Environment

Yin Zhi-min，Zhang Jing

Analysis on the operation condition of 6 sets of pressure vessels in a chemical project，through the experimental data and demonstration，performance of the S22053 alkali corrosion of duplex stainless steel，so as to provide reference for the similar working condition of the pressure vessel material.

duplex stainless steel；pressure vessel；alkaline corrosion

TG172

：A

：1003–6490（2017）04–0111–02

2017–04–06

尹志敏（1988—），男，湖北黃岡人，設(shè)計師，主要從事壓力容器的設(shè)計工作。