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　　正确选择和使用材料是化工容器与设备机械设计的基础及重要环节。本篇主要内容如下：
　　1. 详细介绍化工设备用材料的基础知识，其主脉络是讲述材料的性能（包括力学性能、物理性能、化学性能及加工工艺性能）、影响材料性能的因素（金属材料的组织、结构、化学成分等），以及通过改变金属材料的化学成分、进行热处理等方法和途径达到获得理想材料的目的。
　　2. 详细介绍我国最新金属材料标准，普通碳素钢、优质碳素钢和铸铁的牌号、性能及选用，以及化工设备应用最广泛的低合金钢和化工设备用的特种钢，如不锈钢、耐热钢、低温用钢等。
　　3. 简要介绍铝、铜、铅、钛及其合金，无机、有机非金属材料的种类及应用。
　　4. 简要讲述化工设备的腐蚀与防护措施 ,着重介绍氢腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀的机理及防腐措施。
　　通过本篇内容的学习，使大家初步学会正确合理地选用承压类化工容器和设备用材料。
第 1 篇　化工设备材料
　　1.1 概 述
　　1.2 材料的性能
　　1.3 金属材料的分类与牌号
　　1.4 碳钢与铸铁
　　1.5 低合金钢
　　1.6 有色金属材料
　　1.7 非金属材料
　　1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施
　　1.9 化工设备材料的选择
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化工设备的腐蚀及防腐措施
1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施
　　腐蚀是影响金属设备及其构件使用寿命的主要因素之一 。 在化工以及轻工 、 能源等领域 , 约有 60% 的设备失效与腐蚀有关 。
　　在化学工业中 , 金属 ( 特别是黑色金属 ) 是制造设备的主要材料 , 由于经常要和各种酸 、 碱 、 盐 、 有机溶剂及腐蚀性气体等接触而发生腐蚀 , 因此要求材料具有较好的耐腐蚀性 。 腐蚀不仅使金属和合金材料遭受巨大的损失 , 影响设备的使用寿命 , 而且使设备的检修周期缩短 , 增加非生产时间和修理费用 ; 腐蚀使设备及管道的跑 、冒 、 滴 、 漏现象更为严重 , 使原料和成品遭受大量损失 , 影响产品质量 , 污染环境 , 危害人的健康 ; 腐蚀引起设备爆炸 、 火灾等事故 , 使设备遭到破坏而停止生产 , 造成巨大的经济损失甚至危及人的生命 。 对于化工设备 , 正确地选材和采取有效的防腐蚀措施 , 使之不受腐蚀或减少腐蚀 , 以保证设备的正常运转 , 延长其使用寿命 , 节约金属材料 , 对促进化学工业的迅速发展有着十分重大的意义 。
1.8.1 金属腐蚀
　　金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而引起的破坏称为腐蚀 。 如金属设备在大气中生锈 , 钢铁在酸中溶解及高温下的氧化等 。 金属腐蚀有两种 : 化学腐蚀与电化学腐蚀 。
1.8.1 金属腐蚀
1 . 金属腐蚀的评定方法
(1) 根据质量变化评定金属腐蚀
(2) 根据腐蚀深度评定金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
2 . 化学腐蚀
　　金属遇到干燥的气体或非电解质溶液而发生化学作用所引起的腐蚀叫作化学腐蚀 。 化学腐蚀的产物在金属的表面上 , 腐蚀过程中没有电流产生 。
　　如果化学腐蚀生成的化合物很稳定 , 即不易分解或溶解 , 且组织致密 , 与金属本体结合牢固 , 那么 , 这种腐蚀产物附着在金属表面上 , 有钝化腐蚀的作用 , 称为 “ 钝化膜 ”, 起保护作用 , 或称钝化作用 。
　　如果化学腐蚀生成的化合物不稳定 , 即易分解 、 溶解或脱落 , 且与金属结合不牢固 , 则腐蚀产物就会一层层脱落 ( 氧化皮即属此类 ), 这种腐蚀产物不能保护金属不再继续受到腐蚀 ,这种作用称为 “ 活化作用 ”。
1.8.1 金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
1.8.1 金属腐蚀
3 . 电化学腐蚀
　　。 电化学腐蚀是指金属与电解质溶液相接触产生电化学作用而引起的腐蚀 。 电化学腐蚀过程是一种原电池工作过程 , 腐蚀过程中有电流产生 , 使其中电位较负的部分 ( 阳极 ) 失去电子而遭受腐蚀 。 电化学腐蚀过程由以下三个环节组成 ( 图 1-19), 它至少包括一个阳极反应和一个阴极反应。
1.8.1 金属腐蚀
　　(1) 阳极反应
　　金属溶解 , 即金属离子从金属转移到介质中并放出电子的氧化过程 (Me →Me + +e)。
　　(2) 电子流动
　　阳极过剩电子流向阴极 。
　　(3) 阴极反应
　　介质中氧化剂组分得到来自阳极的电子的还原过程 (e 阳 +D →[De])。　　
　　以上三个环节缺一不可 , 其中阻力较大的环节决定着整个腐蚀过程的速度 。 如金属在酸 、 碱 、 盐溶液 、 水和海水中的腐蚀 , 金属在潮湿空气中的大气腐蚀 , 地下金属管线的腐蚀以及电解质溶液中不同金属接触处的电偶腐蚀 ( 两种相互接触的不同金属处于同一腐蚀性介质中 , 由于存在电位差 , 其中一种电位较负的金属往往会遭到腐蚀 , 这种腐蚀称为电偶腐蚀 )等均属电化学腐蚀 。
1.8.1 金属腐蚀
　　电化学腐蚀进行的过程中必须具备三个条件 :
　　(1) 同一金属上有不同电位的部分之间存在电位差 ( 图 1-20 中的微电池 ), 或不同金属之间存在电位差 ( 图 1-20 中的大电池 );
　　(2) 阳极和阴极互相连接 ;
　　(3) 阳极和阴极处在相互连通的电解质溶液中 。
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
　　晶间腐蚀是一种极其危险的腐蚀 , 应力腐蚀则是近年来被证实在化工与石油化工设备中发生较多和较严重的一种腐蚀 。
　　 这两种腐蚀均属于电化学腐蚀 。
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
1 . 晶间腐蚀
　　晶间腐蚀晶间腐蚀是一种局部的 、 选择性的腐蚀破坏 。 这种腐蚀破坏沿金属晶粒的边缘进行 , 腐蚀性介质渗入金属的深处 , 腐蚀破坏了金属晶粒之间的结合力 , 使材料的强度和塑性几乎完全丧失 , 从表面上看不出异样 , 但内部已经瓦解 , 只要用锤轻轻敲击 , 就会碎成粉末 , 因此 , 晶间腐蚀如不能及早发现 , 往往会造成灾难性的事故 。
　　在黑色金属中 , 只有部分铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢才有可能产生晶间腐蚀 。
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
　　晶间腐蚀是一种危险性较大的腐蚀 , 因为它不在构件表面留有任何腐蚀的宏观迹象 , 也不会减少构件的厚度尺寸 , 只在内部沿着金属的晶粒边缘进行腐蚀 , 即从内部瓦解材料 , 使其完全失去强度和塑性 , 最易在使用过程中发生破坏 。
　　为了防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 , 可以在钢中加入 Ti 和 Nb 元素 , 这两种元素都有较好的固定碳的作用 , 从而使铬的碳化物在晶间难以生成 。 防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀的更有效的方法是采用低碳 、 超低碳的奥氏体不锈钢 。
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
2 . 应力腐蚀
　　应力腐蚀亦称腐蚀裂开 , 是金属在腐蚀性介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式 。 在应力腐蚀过程中 , 腐蚀和拉应力起互相促进的作用 。 一方面 , 腐蚀减小金属的有效截面积 , 形成表面缺口 , 产生应力集中 ; 另一方面 , 拉应力加速腐蚀的进程 , 使表面缺口向深处扩展 ,最后导致断裂 。 因此 , 应力腐蚀可使金属在平均应力低于其屈服极限的情况下被破坏 。
　　因为化工与石油化工生产中的压力容器一般都承受较大的拉应力 , 在结构上又常难以避免不同程度的应力集中的存在 , 同时容器的工作介质又常具有腐蚀性 , 这就具备了应力腐蚀发生的条件 。 在压力容器的腐蚀破坏形式中 , 应力腐蚀破坏是较常见的 , 也是最危险的 。
　金属的应力腐蚀断裂过程 , 可以分为三个阶段 。
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
　　(1) 第一阶段为孕育阶段
　　金属表面由于腐蚀和拉应力集中的共同作用 , 逐渐形成一些最初的腐蚀 ——— 机械性裂纹 。 金属表面的应力集中常由不均匀的内应力 、 机械擦伤 、 加工纹路 、 裂纹 、 夹层等表面缺陷和结构形状的不连续等所引起 。 如果局部集中应力在开始时还不足以形成裂纹 , 则这一阶段就延长下去 , 直至金属表面某处局部腐蚀形成薄弱区域 , 并在该区域内局部应力集中达到能产生最初的腐蚀 ( 机械性裂纹 ) 为止 。
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
　　(2) 第二阶段为腐蚀裂纹扩展阶段
　　最初的腐蚀 ——— 机械性裂纹 , 在腐蚀性介质的电化学作用和金属 内 的 主 要 拉 应 力 的 共 同 作 用 下 进 一 步 扩 展 。裂纹扩展的总方向一般是和主要拉应力方向垂直的 。 应力腐蚀的机理可借助图 1-22 解释如下 : 原始裂纹两侧是一层保护膜 , 该保护膜构成了腐蚀电池的阴极 , 裂纹尖端构成腐蚀电池的阳极 , 在主要拉应力的作用下裂纹尖端前面的区域是金属局部应力最大的地方 , 它是裂纹将扩展的区域 。 由于在裂纹尖端高度集中的局部应力与大面积的阴极和小面积的阳极的电化学腐蚀的联合作用 , 裂纹扩展的速度很快 , 可以达到每小时毫米级甚至厘米级 。
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
　　(3) 第三阶段为最终破坏阶段
　　随着裂纹的进一步扩展 , 诸多裂纹中的一条裂纹会由于拉应力越来越大而比其他裂纹扩展得更快 , 且到最后它会排斥其他裂纹的扩展 , 而把主要拉应力都转移到这条裂纹上来 ,最终导致构件的断裂 。 在这一阶段 , 断裂是在机械因素起主导作用的情况下进行的 , 且越到最后 , 机械因素作用越大 。应力腐蚀的断裂面大体上与主要拉应力方向垂直 , 在断口附近常有许多与主断口平行的裂纹 。 应力腐蚀只有在拉应力状态下才会发生 , 而在压应力状态下 , 则不会发生应力腐蚀 。产生应力腐蚀的材料与腐蚀性介质的匹配情况见表 1-23。
1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀
1.8.3 金属腐蚀破坏的形式
1.8.4 金属设备的防腐措施
1 . 衬覆保护层
　　(1) 金属保护层
　　金属保护层是用耐腐蚀性能较强的金属或合金覆盖在耐腐蚀性能较弱的金属上 。 常见的有电镀法 ( 镀铬 、 镀镍等 )、 喷镀法及衬不锈钢衬里等 。
　　(2) 非金属保护层
　　常用的有金属设备内部衬以非金属衬里和涂防腐涂料 。
　　在金属设备内部衬砖 、 板是行之有效的非金属防腐方法 。
　　常用的砖板衬里材料有酚醛胶泥衬瓷板 、 瓷砖 、 不透性石墨板 , 水玻璃胶泥衬辉绿岩板 、瓷板 、 瓷砖 。
　　除砖板衬里之外 , 还有橡胶衬里和塑料衬里 。
1.8.4 金属设备的防腐措施
2 . 电化学保护
　　(1) 阴极保护
　　阴极保护又称牺牲阳极保护 。 近年来 , 阴极保护在我国已广泛应用到化工生产中 , 主要用来保护受海水 、 河水腐蚀的冷却设备和各种输送管道 , 如卤化物结晶槽 、 制盐蒸发设备等 。
　　如图 1-24 所示为阴极保护示意图 , 把盛有电解液的金属设备和一直流电源的负极相连 , 电源正极和一个辅助阳极相连 。 当电路接通后 , 电源便给金属设备以阴极电流 , 使金属设备的电极电位向负方向移动 , 当电位降至腐蚀电池的阳极的起始电位时 , 金属设备的腐蚀即可停止 。
　　外加电流阴极保护的实质是整个金属设备被外加电流极化为阴极 , 而辅助电极为阳极 , 称为辅助阳极 。 辅助阳极的材料必须是良好的导电体 , 在腐蚀介质中耐腐蚀 , 常用的有石墨 、 硅铸铁 、 废钢铁等 。
1.8.4 金属设备的防腐措施
1.8.4 金属设备的防腐措施
　　(2) 阳极保护
　　阳极保护是将被保护设备接阳极直流电源 , 使金属表面生成钝化膜而起保护作用 。 阳极保护只有当金属在介质中能钝化时才能应用 , 而且阳极保护的技术复杂 , 使用不多 。
1.8.4 金属设备的防腐措施
3 . 添加缓蚀剂
　　在腐蚀介质中加入少量物质 , 可以使金属的腐蚀速度降低甚至停止 , 这种物质称为缓蚀剂 。 加入的缓蚀剂不应该影响化工工艺过程的进行 , 也不应该影响产品质量 。 缓蚀剂要严格选择 , 一种缓蚀剂对某种介质能起缓蚀作用 , 对另一种介质则可能无效 , 甚至有害 。 选择缓蚀剂的种类和用量 , 须根据设备的具体操作条件通过试验来确定 。
　　缓蚀剂有重铬酸盐 、 过氧化氢 、 磷酸盐 、 亚硫酸钠 、 硫酸锌 、 硫酸氢钙等无机缓蚀剂和生物碱 、 有机胶体 、 氨基酸 、 酮类 、 醛类等有机缓蚀剂两大类 。 按使用情况分三种 : 在酸性介质中常用硫脲 、 若丁 ( 二甲苯硫脲 )、 乌洛托品 ( 六亚甲基四胺 ); 在碱性介质中常用硝酸钠 ; 在中性介质中常用重铬酸钠 、 亚硝酸钠 、 磷酸盐等 。

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