化工设备耐腐蚀材料选用

一、 耐腐蚀材料选用的原则与责任划分

根据国内外多项标准的明确规定，材料选择和腐蚀裕量确定的最终责任主体为设备用户（所有者）或设计单位。各类标准虽不提供具体的选材清单，但清晰界定了选材需考量的关键因素与通用技术要求。

（一） 用户/设计者的核心责任（依据标准条款）

标准编号	核心责任条款
ASME B16.5/B16.47	本标准不包含材料选择准则，用户应充分评估材料在服役过程中的性能退化风险，如碳素钢的碳化物石墨化、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏感性等。
ASME BPVC Ⅷ-1/2	用户或其授权代理人需明确与标准要求不一致的腐蚀裕量数值；若未提供，需在设备数据报告中注明未设定腐蚀裕量的原因。
GB/T 20801、HG/T 20580	标准未涉及材料耐介质腐蚀的具体要求，业主或设计者应参考权威腐蚀手册、技术专著及同类装置的长期运行经验，确保选材合理性。

（二） 通用技术要求

1.压力容器及受压元件用钢材，需采用电炉或氧气转炉冶炼，并经炉外精炼处理，确保钢质纯净度与力学性能稳定性。

2.奥氏体不锈钢的耐蚀性依赖其表面形成的致密钝化膜（Cr₂O₃），适用于氧化性或弱氧化性介质（如硝酸、含氧水）；在还原性介质（如盐酸、稀硫酸）或强氧化性介质（如浓硝酸+高温）中，钝化膜易被破坏，腐蚀速率急剧升高，严禁选用。

3.不锈钢产生晶间腐蚀需同时满足两个条件：

① 材料本身具有晶间腐蚀倾向（如敏化温度区间450-850℃停留）；

② 介质具备引发晶间腐蚀的能力（如含Cl⁻的酸性环境），二者缺一不可。

二、 腐蚀裕量（C₂）的确定方法与技术规定

腐蚀裕量是设备厚度附加量（C = C₁ + C₂，其中C₁为钢板负偏差）的重要组成部分，用于补偿材料在设计寿命内的均匀腐蚀或磨损损耗，其取值直接影响设备的安全性与经济性。

（一） 基本计算与限值要求

1.计算公式：对于存在均匀腐蚀的容器，当具备可靠的腐蚀速率数据时，腐蚀裕量应按下式计算：

式中：为安全系数（通常取1.0-1.5），为年腐蚀速率（mm/a），为设计使用年限（年）。

2.最小腐蚀裕量：碳素钢或低合金钢制容器，若介质为压缩空气、水蒸气或淡水，其腐蚀裕量不应小于1.0mm。

3.最大腐蚀裕量：当计算得出的腐蚀裕量超过6mm时，应优先选用更耐腐蚀的材料（如不锈钢、钛合金），或采用复合钢板、堆焊层、衬里等结构形式，避免因过度增加壁厚导致的成本上升与制造难度加大。

（二） 可不考虑腐蚀裕量的场景（依据HG/T 20580、SH/T 3074）

1.介质对不锈钢（含复合板复层、堆焊层）无腐蚀作用，且长期运行验证材料腐蚀速率趋近于零。

2.设备内壁采用可靠的耐腐蚀衬里（如衬铅、衬天然橡胶、衬聚四氟乙烯），基体材料不直接接触腐蚀介质。

3.法兰的密封面（如突面、凹凸面），其表面精度与密封性能要求高于腐蚀裕量补偿，且通常采用表面处理（如镀铬）提升耐蚀性。

4.管壳式换热器的换热管、钩圈、浮头螺栓、纵向隔板、拉杆、定距管、折流板、支持板等内件，或采用耐腐蚀材料，或通过结构设计避免介质直接冲刷腐蚀。

5.容器外表面及外部构件（如支座、支腿，裙座和地脚螺栓除外），采用有效的涂漆防护措施，且环境腐蚀程度轻微。

6.可拆塔盘板、填料等易更换部件，可通过定期检修更换弥补腐蚀损耗，无需额外设置腐蚀裕量。

（三） 特殊元件的腐蚀裕量规定

1.容器内件：当内件材料与筒体材料相同时，根据结构形式与受力状态，腐蚀裕量可取筒体的0（易更换件）、1/4、1/2或全部（关键承重件）。

2.接管、法兰：接管本体及法兰的腐蚀裕量宜与筒体取值一致，确保整体结构的腐蚀同步性。

3.复合钢板覆层：若用于防止介质污染（如食品、医药行业），覆层厚度不应小于2mm；若用于耐介质腐蚀，覆层厚度不应小于3mm，且需保证覆层与基层的结合强度。

4.堆焊层：容器壳体内表面、法兰密封面、平盖等部位的不锈钢堆焊层，机加工后的最小厚度不应小于3mm，堆焊过程需严格控制层间温度，避免敏化。

三、 特定腐蚀环境下的材料选用要求

针对化工生产中常见的苛刻腐蚀环境，需结合介质特性、温度压力条件，遵循标准要求选择专用耐蚀材料，以下为典型环境的选材规范：

（一） 湿硫化氢（H₂S）腐蚀环境（I类）

1.环境定义：容器接触的介质中含有游离水，且H₂S浓度大于50ppmw（质量浓度），易引发设备的氢致开裂（HIC）与硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）。

2.碳素钢及低合金钢选材要求

材料标准规定的屈服强度下限值 ≤355MPa；

材料实测抗拉强度 ≤630MPa；

材料使用状态需为正火、正火+回火或调质处理，细化晶粒，提升抗HIC性能；

碳当量（CE）限制：碳素钢CE ≤0.43%，低合金钢CE ≤0.45%（碳当量计算公式：

）；

焊后热处理要求：焊缝及热影响区硬度 ≤200HBW，消除焊接残余应力。

3.应对措施：优先选用抗HIC专用钢（如09MnNiDR），或采用不锈钢复合板、内壁堆焊不锈钢层，隔绝湿硫化氢介质与基材的接触。

（二） 晶间腐蚀环境（奥氏体不锈钢）

1.应用场景：奥氏体不锈钢（如304、316）用于含Cl⁻的酸性介质、氧化性介质（如硝酸）或敏化温度区间服役时，需重点防控晶间腐蚀。

2.防止对策

采用固溶处理（1050-1150℃加热后快速水冷），使碳化物充分溶解于奥氏体基体，避免晶界析出；

选用超低碳不锈钢（C≤0.030%，如304L、316L），从根本上降低碳化物析出的可能性；

采用稳定化不锈钢（如321、347），加入Ti、Nb等与碳亲和力强的元素，优先形成TiC、NbC，避免Cr的消耗，同时需进行稳定化热处理（850-900℃保温后空冷）。

3.检验要求：用于可能引发晶间腐蚀的环境时，需按GB/T 4334进行晶间腐蚀敏感性试验，合格后方可使用。

（三） 高温高压氢腐蚀环境

1.选材依据：根据设备操作温度加28℃、操作氢分压，参照纳尔逊曲线（API RP 941） 进行选材，确定材料在氢环境下的安全使用区间。

2.铬钼钢专项要求：对于14Cr1Mo、15CrMo等铬钼耐热钢，需严格控制化学成分（如X系数： ）、晶粒度（≥5级），并执行规范的焊后热处理（如680-720℃回火），防止氢脆与氢腐蚀。

（四） 其他典型腐蚀环境选材规范

腐蚀环境	选材要求与应对措施
氢氟酸（HF）环境	1. 碳钢选材需满足：真空脱气处理、硫含量≤0.002%、正火状态、100%无损检测； 2. 酸再生塔等强腐蚀部位，宜选用Monel 400镍铜合金，耐HF腐蚀性能优异。
环烷酸腐蚀	1. 腐蚀发生温度区间为177-427℃，与原油中环烷酸含量直接相关； 2. 材料耐蚀性排序（由弱到强）碳钢 < 1.25Cr-0.5Mo < 2.25Cr-0.5Mo < 5Cr-0.5Mo < 12Cr < 9Cr-1Mo < 304L < 321 <347 < 316 < 317L < 6Mo合金 < Inconel 625 < Hastelloy C276。
碱腐蚀（NaOH）	1.碳钢在高温浓碱液中易发生碱脆（应力腐蚀开裂）；2. 当温度高于82℃且NaOH浓度>5%时，碱脆风险显著升高，需选用不锈钢或镍基合金，同时消除设备残余应力。
高温硫化物腐蚀	提高材料中铬元素含量可有效提升抗硫化物腐蚀能力，优先选用300系列（如316）或400系列不锈钢，避免选用碳素钢。

四、 材料耐腐蚀性能的试验与验证方法

通过科学的腐蚀试验，可验证材料在特定环境下的耐蚀性，为选材提供直接的数据支撑，试验需遵循相关标准规范开展。

（一） 腐蚀测试的核心目的（依据ASME BPE）

1.对比多种合金材料在相同腐蚀环境下的腐蚀速率，筛选最优方案；

2.确定用户定义的实际工况中，材料与介质的兼容性；

3.评估材料在异常工况（如温度波动、浓度超标、杂质混入）下的耐蚀稳定性；

4.验证材料表面处理工艺（如抛光、钝化）的防护效果；

5.验证焊接工艺及焊后热处理对材料耐蚀性的影响。

（二） 晶间腐蚀敏感性试验

1.执行标准：GB/T 4334《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》。

2.试验方法选择：根据钢种类型与介质特性，选择对应的试验方法：

硫酸-硫酸铜法：适用于奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢；

65%硝酸法：适用于检验不锈钢在强氧化性介质中的晶间腐蚀倾向；

硫酸-硫酸铁法：适用于奥氏体-铁素体双相不锈钢；

硝酸-氢氟酸法：适用于检验超低碳不锈钢或稳定化不锈钢的晶间腐蚀敏感性。

3.合格判据：弯曲试验后试样表面无裂纹，或腐蚀速率不超过标准规定限值。

五、 防腐蚀结构设计与辅助防护措施

合理的结构设计是防腐蚀的第一道防线，搭配有效的防护措施，可显著提升设备的耐腐蚀寿命。

（一） 防腐蚀结构设计要点

1.避免缝隙与死角：设备结构应尽量采用圆角过渡，避免法兰面、焊缝、螺栓连接等部位形成缝隙，防止积液与腐蚀介质浓缩引发的缝隙腐蚀。

2.减少应力集中：针对湿H₂S、碱脆等易引发应力腐蚀的环境，设备结构应避免尖角、突变截面，焊接接头采用圆滑过渡，降低残余应力集中系数。

3.便于检修更换：可拆内件（如塔盘、换热器管束）应设计为模块化结构，易于取出检查、维护与更换，降低后期运维成本。

（二） 常用辅助防护措施

1.涂层与衬里防护：采用耐腐蚀涂层（如环氧酚醛漆、聚脲涂层）、非金属衬里（如橡胶、塑料、砖板）或金属衬里（如铅、钛、不锈钢），隔绝腐蚀介质与基材接触。

2.阴极保护：对于埋地管道、水下设备，可采用牺牲阳极法（如锌阳极、镁阳极）或外加电流法，使设备基体成为阴极，防止电化学腐蚀。

3.缓蚀剂防护：向工艺介质中添加适量缓蚀剂（如酸洗缓蚀剂、油气井缓蚀剂），在材料表面形成吸附膜，抑制腐蚀反应。

4.工艺控制优化：通过控制介质pH值、温度、流速、氧含量等参数，减轻腐蚀程度（如降低介质温度可显著降低腐蚀速率）。

5.电绝缘防护：不同金属材料连接时，采用绝缘垫片、绝缘套管等措施，防止形成原电池引发的电偶腐蚀。

六、 法兰、垫片与紧固件的腐蚀防控要点

法兰、垫片与紧固件作为设备的关键连接部件，其腐蚀防控直接影响设备的密封性能与运行安全性。

（一） 法兰材料选用要求

1.标准依据：遵循HG/T 20592（钢制管法兰）、ASME B16.5等标准，选择与管道、设备本体材质兼容的法兰材料，包括碳钢（如Q235B、20#）、低合金钢（如16MnDR）、铬钼钢（如15CrMo）、不锈钢（如304、316）等。

2.兼容性考量：重点关注法兰与螺栓、垫片之间的电偶腐蚀风险，避免异种金属直接接触（如碳钢法兰搭配不锈钢螺栓时，需采用绝缘垫片隔离）。

（二） 垫片材料选择原则

1.核心要求：垫片材料需与介质完全兼容，具备良好的耐蚀性、密封性与耐压耐热性能。

2.选型参考：根据介质特性（如氢氟酸、甲醇、环烷酸）、操作压力与温度，参考标准附录推荐的垫片类型：

强腐蚀介质（如HF）：优先选用聚四氟乙烯（PTFE）垫片；

高温高压工况（如蒸汽管道）：选用金属缠绕式垫片、金属齿形垫片；

易燃易爆介质：选用柔性石墨复合垫片，确保密封可靠性。

（三） 特殊技术要求

1.当设备在特殊工况下运行时（如温度高于538℃、强腐蚀介质、临氢环境），用户需向制造单位详细说明使用条件，以便针对性选择材料与加工工艺。

2.奥氏体不锈钢法兰用于可能引发晶间腐蚀的环境时，需要求制造单位提供晶间腐蚀敏感性试验合格报告。

3.法兰密封面的加工精度直接影响密封性能，且通常采用表面处理（如钝化、镀铬）提升耐蚀性，无需额外设置腐蚀裕量。

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