正确选材与合理结构设计在线视频

由于腐蚀问题遍及各行各业

研究材料腐蚀的主要目的

是在于澄清腐蚀基本原理和方法的同时

以便因地制宜地

提出各种有效的腐蚀防护与控制方法

根据前面章节的学习我们知道

腐蚀是材料或结构与环境介质

在表界面发生作用造成的

材料包括适当的成分及加工工艺

环境包括是否存在应力 流体冲刷 磨损

辐照等外场的综合影响

介质中是否有侵蚀性离子或成分

如硫化氢 氯离子 硫代硫酸根离子等

金属表面是否有腐蚀产物沉积等等因素

相应地

腐蚀损伤控制的技术途径

也可以从材料 服役环境 界面三方面考虑

包括合理的防腐设计与工艺流程

合理选材 电化学保护

介质处理与缓蚀剂

表面覆盖层等多种损伤控制途径

对于具体的金属腐蚀问题

需要根据金属产品或构件的腐蚀环境

保护效果 技术难易程度

经济效益和社会效益等进行综合评估

选择合适的防护方法

首先

我们来看选材与结构设计

正确选材是腐蚀控制的第一步

也是腐蚀性能设计中最为关键的一步

选材是否合理不仅影响产品的使用寿命

还影响到产品的各种性能

因此 除了考虑耐蚀性能之外

还需考虑力学性能

加工性能以及材料价格等因素

同时

选材应融入整个设计

施工制造与后期维护管理中

选材时应遵循下列原则

第一 根据设备工作条件

选择耐蚀性满足实际服役环境的材料

这就需要首先研究清楚

材料或设备所处的环境

包括介质成分

是否含有卤素离子

含氧量有多少

温度如何 压力如何

根据介质环境特征

以及设备类型和结构

判断介质中发生哪些类型的腐蚀

以及相互接触的材料是否相容等

在此基础上判断选材类型

第二 除了耐蚀性指标之外

还需考虑材料的物理性能

机械性能和加工性能也要满足要求

例如 在一些连接部件

如螺栓 螺柱等零部件

除了耐蚀性外

还需考虑强度 塑性和冲击韧性等

对LNG等低温环境服役零部件

除了考虑液化天然气潜在的腐蚀

其低温韧性是重要的指标

加工工艺性能也是选材中的重要环节

包括铸造工艺 切削性能

锻造性能 焊接性能等

在很多新材料研发中

虽然性能优良

如果成型性和焊接工艺难以克服的话

也会限制其大规模的应用

此外 需综合考材料的价格与来源

应从整个生产管理的全寿命周期角度

来适当选材

例如 对于短周期运行设备

如果没有高压 均匀腐蚀环境的材料

可在基本满足耐蚀性基础上

选择尽可能便宜的材料

通过适当壁厚补偿来满足短期服役要求

对于长周期高可靠性服役的设备

当停工维护成本很高时

则可以考虑耐蚀性和综合性能较好的设备

在保证其他性能相近的情况下

尽量选择对环境污染小且便于回收的材料

选材的途径

可以通过查阅相关耐蚀材料手册

腐蚀数据图册

包括前两章介绍的腐蚀数据平台

以及相关行业标准

实验数据册等开展相关检索和应用

事实上

总结积累生产实际中的腐蚀与选材经验

是最直接的参考

当缺乏足够数据和使用经验时

需要开展材料耐蚀性试验

在结构设计中

应首先考虑腐蚀裕量

对于均匀腐蚀的构件

可以根据腐蚀速率

和设备的构件以及金属构件尺寸

决定是否需要采取保护措施

设计时要特别考虑腐蚀裕量

对于局部腐蚀的构件 数据必须慎重

不仅考虑腐蚀裕量

还需考虑更多因素

合理设计

还需考虑防止腐蚀介质侵入与滞留

尽可能的避免有利于形成腐蚀环境的结构

例如

避免液体和颗粒的积留

在能积水的地方设置排水孔

采用密闭的结构防止雨水

海水 雾气等的侵入

布置合适的通风口

防止湿气汇集和结露

尽量少用多孔吸水性强的材料

不可避免时可采用密封措施

尽量避免缝隙结构

如采用焊接代替螺栓连接来防止缝隙腐蚀

避免流体的突然改变所起的湍流 涡流

两相流或三相流等

尽可能避免不同金属的直接接触

产生电偶腐蚀

特别是要避免小阳极 大阴极的电偶腐蚀

当不可避免时

接触面要进行适当的防护处理

如采用缓释密封膏

绝缘材料将两种金属隔开

或适当的涂层等

避免构建局部应力集中 振动 疲劳等

设计前要计算材料的最大许用应力

疲劳强度

零件在制造过程中应注意晶粒取向

尽量避免在短横向上受拉应力

避免使用应力 装配应力

残余应力等不同应力在同一方向上叠加

以减轻或防止应力腐蚀开裂的风险

下面我们来看一个案例

这是在知网检索到的文献

作者单位来自海洋石油工程股份有限公司

其选材对象

是针对海洋石油平台高压管道选材

及支管设计

首先看管道的服役参数

在PF系统管线尺寸为1/2英寸至10英寸

操作温度为21到27度

压力为2.9至14.7MPa

由于管道与其他系统连接

设计压力和温度要考虑极端条件

压力为64.15MPa

温度为110度

在WK和CI的系统压力达到65.36MPa

温度为50度

在这样的服役环境下

相应的选材因素应包括

设计压力 设计温度 耐蚀性 壁厚

材料种类 重量 采办周期等综合因素进行评价

根据选材经验

常用的碳钢 316L不锈钢 31803双相钢

进行对比分析

首先我们看碳钢

根据工程经验

在二氧化碳含量最高情况下

碳钢的最大腐蚀速率为5mm/a

如果采用缓蚀剂

按75%缓释效率计算

腐蚀速率为1.1mm/a

在高流速条件下缓释效率可能更低

因此 在高压管线中

碳钢按30年服役计算是十分危险的

还需30mm的腐蚀裕量

以抵御二氧化碳腐蚀

再来看316L不锈钢

由于海洋大气环境存在氯离子

316L不锈钢在50度以上

具有氯离子应力腐蚀开裂倾向

双相钢则能满足耐蚀性要求

如果按照标准计算

高压管道强度设计来计算壁厚

我们可以看到

碳钢价格最便宜

但碳钢的壁厚达68mm

重量为196.1kg/m

采用316L的壁厚会降低一半

重量降低

31803双相钢的壁厚最薄

综合比较优缺点可知

碳钢虽然便宜 施工简单

但由于壁厚过厚

属于非标管线

不宜采办 不利于焊接和安装

耐蚀性和强度也不满足要求

采用316L不锈钢

也属于非标管线 不利于采办

还可能出现应力腐蚀开裂的问题

同时强度不满足60MPa级别的要求

31803能满足标准管线采办

耐蚀性的要求

但价格相对较高

尽管如此

最终的选材还是确定为31803双相不锈钢

选材是工程领域装备设计的前期基础工作

如果选材不当

将引发零部件服役后期的

腐蚀损伤与失效事故

典型的事故为核电碳钢或低合金钢

管道的流体加速腐蚀壁厚减薄

在核电站特别是早期的沸水堆核电站

主给水管线 凝结水管线

疏水管线 部分抽汽管线等

主要是有碳钢制造的

在核电站运行过程中

管内流体会加剧碳钢腐蚀

该现象被称为流体加速腐蚀

在1970年前后

法国 英国和德国有关科技人员

就已经开始了对流体加速腐蚀

简称FAC的研究

当时认为主要在两相流中才发生FAC现象

直到1986年

美国萨里核电厂事件改变了人们的看法

1986年12月9日

由西屋公司设计供货的

萨里核电站2号机组罐头

在运行时突然破裂

造成4死4伤

事故后检测表明

2台机组管线有大范围FAC导致的

壁厚减薄显像

最后有190个管道部件被更换

之后

各个电厂又陆续发现了一些

因FAC导致的壁厚减薄

后来美国核管会

将FAC作为一项重要课题加以总结

并对FAC敏感段的老化管理大纲

提出了明确的要求

之后

美国又发生过数起因FAC引起的爆管

泄露事故

如图所示

最近一次引起人们关注的FAC事件

是日本关西电力公司

所属的美滨核电站3号机组的

汽轮机厂厂房内

给水回路管段FAC导致的

管壁从10mm减薄至1.5mm

并最终爆管

导致正在做停机检修工作的5名维修人员死亡

6人受伤

值得注意的是

这些发生事故的核电站

均为早期的核电站

目前都处于提前关闭状态

FAC的发生机制

主要是亚铁离子向水中溶解造成的

在单向水流条件下

表面呈现马蹄形或鳞片状

低倍和高倍形貌如图所示

在焊接区域又出现双相流

焊缝附近壁厚减薄

出现针状小孔

表面呈现虎纹的宏观腐蚀形貌特征

而在弯管处流体直接冲刷区域

壁厚减薄严重

腐蚀形貌宏观呈现彗尾状特征

由于FAC主要为碳钢和低合金钢流体

表界面处多孔铁氧化物的溶解

因此通过调整钢成分

使表面形成相对致密的氧化层抑制其溶解

可降低腐蚀

研究表明

钢中添加9%以上的Cr

可在表面形成尖晶石FeCrO的氧化层

进而防止FAC

在目前的二代或三代压水堆核电站

由于温度和压力

均高于前期的沸水堆核电机组

因此相关管道选用奥氏体不锈钢

这些管道未见FAC失效事故

在关于现有早期核电的维护中

虽然9%Cr以上的合金钢

也满足抑制FAC要求

但近期我国核电常规岛腐蚀防护验收标准中

并未采纳

而是直接推荐采用不锈钢