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熱介質(zhì)中不銹鋼材料的選擇

發(fā)布時(shí)間：2021-07-13 09:06:01 丨 瀏覽次數(shù)：

本文介紹了不銹鋼材料在高溫下的一些性能數(shù)據(jù)以及在高溫下選擇不銹鋼時(shí)要考慮的其他影響因素?？紤]到材料在高溫下的腐蝕，將分別討論幾種常見的腐蝕形式。關(guān)鍵詞：高溫材料選擇；不銹鋼在電力、石化、化工等領(lǐng)域經(jīng)常暴露在高溫介質(zhì)中，不銹鋼材料的性能可以滿足高溫條件下的應(yīng)用。 800C1，但不同的不銹鋼在高溫下的性能不同。多種不銹鋼材料可滿足高溫介質(zhì)的要求。在高溫下選擇材料時(shí)必須考慮設(shè)計(jì)壽命、允許變形、介質(zhì)和操作環(huán)境以及成本。

1 高溫選材原則

對(duì)于高溫介質(zhì)，在確定設(shè)計(jì)參數(shù)后，首先要考慮的是熱強(qiáng)度，它決定了材料在其預(yù)期設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的變形程度。第二個(gè)考慮因素是熱穩(wěn)定性，更常見的是室溫脆化。

1.1 短期抗拉強(qiáng)度

在溫度達(dá)到482C 之前，短期抗拉強(qiáng)度至關(guān)重要（低合金鋼和不銹鋼的蠕變溫度為370C，碳鋼）。工程設(shè)計(jì)中所用材料的許用應(yīng)力，即材料蠕變前的許用應(yīng)力，與該材料的性能有關(guān)。當(dāng)介質(zhì)溫度超過482時(shí)，材料的高溫短期強(qiáng)度性能不再能代表材料的真實(shí)性能，而長(zhǎng)期強(qiáng)度決定了材料的許用應(yīng)力。獲得設(shè)計(jì)信息取決于蠕變和蠕變斷裂測(cè)試。

1.2 蠕變

溫度超過482后材料在應(yīng)力作用下的變形是塑性變形而不是彈性變形，被測(cè)材料在短期拉伸試驗(yàn)中的屈服點(diǎn)高于蠕變或蠕變斷裂強(qiáng)度。因此，在一定應(yīng)力下工作溫度為482C 或更高的結(jié)構(gòu)是否安全是時(shí)候了。在受力時(shí)間內(nèi)，材料所能承受的應(yīng)力和所能承受的最大彈性下降。蠕變?cè)囼?yàn)的作用是找出應(yīng)力強(qiáng)度、時(shí)間和溫度不同時(shí)的蠕變速率和應(yīng)變量。

1.3 蠕變爆破強(qiáng)度

蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)用于設(shè)定許用應(yīng)力，10萬小時(shí)的斷裂強(qiáng)度值是材料的基本性能之一。對(duì)于不考慮變形變量而只考慮高溫運(yùn)行壽命的零件，耐久強(qiáng)度極限是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)大多數(shù)高溫設(shè)備時(shí)，我們遵循ASME 《鍋爐和壓力容器的規(guī)范》（我國(guó)壓力容器規(guī)范為GB150），這是長(zhǎng)期安全設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和施工的程序文件和最低設(shè)計(jì)要求。

1.4 熱穩(wěn)定性

溫度和時(shí)間的差異可以改變所有鋼和合金的金相組織。對(duì)于不銹鋼，這些變化可能是軟化、碳化物沉淀或脆化。馬氏體不銹鋼在接近原始熱處理的正火溫度下會(huì)軟化。 304 等奧氏體不銹鋼會(huì)在427-899C 下析出碳化物。例外情況是超低碳和穩(wěn)定的不銹鋼（例如分別為304L 和321），這會(huì)導(dǎo)致不銹鋼在某些晶間環(huán)境中失去韌性或腐蝕。

與鐵素體不銹鋼（371-510）接觸一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)不同的脆性。此外，含12% 鉻的馬氏體不銹鋼（例如410）在長(zhǎng)時(shí)間暴露于(371-510C) 后趨于脆化，這種現(xiàn)象稱為475C 脆化。 475C 的脆性導(dǎo)致低延展性、低沖擊強(qiáng)度、增加的硬度和室溫下的拉伸強(qiáng)度，如果不小心處理會(huì)破壞金屬。

1.5格

晶格尺寸會(huì)影響材料（尤其是奧氏體不銹鋼）在高溫下的強(qiáng)度和延展性。在538-816C范圍內(nèi)，細(xì)晶奧氏體不銹鋼比粗晶不銹鋼具有更好的延展性。如果在低溫下進(jìn)行短期強(qiáng)度試驗(yàn)，則細(xì)晶組織的強(qiáng)度增加，如果增加試驗(yàn)時(shí)間或溫度，則粗晶組織的斷裂耐久性好。細(xì)晶粒是某些應(yīng)用的理想選擇，但對(duì)于其他應(yīng)用，粗晶粒可提供更長(zhǎng)的使用壽命，具體取決于介質(zhì)條件和溫度。

1.6H級(jí)不銹鋼

控制碳含量是減少失敗機(jī)會(huì)的重要因素。 H 級(jí)不銹鋼的壽命增加了三倍，并且沒有H 級(jí)不銹鋼的過早蠕變失效跡象（因?yàn)橐阎梢钥刂铺己浚?304H 和316H 不銹鋼的可接受碳含量范圍為0.04-0.10%，而304 和316 型不銹鋼將最大碳含量限制為0.08%，并且不限制較低的碳含量。但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力表在腳注中是強(qiáng)制性的，當(dāng)介質(zhì)溫度超過538C時(shí)，有效碳含量必須至少為0.04%。

2 材料在高溫下的耐腐蝕性

鉻是賦予不銹鋼耐腐蝕性能的主要合金元素，鉻和氧在不銹鋼表面形成一層薄而透明的氧化鉻保護(hù)膜。當(dāng)不銹鋼暴露在高溫下時(shí)，不銹鋼表面的氧化膜性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。在氧化性氣體溫度稍高的情況下，氧化膜仍可提供保護(hù)，但如果在極高溫度下加入腐蝕，則保護(hù)膜可能根本不起作用。

2.1 氧化

不銹鋼在恒溫介質(zhì)中的抗氧化性或防垢性能取決于鉻含量。鉻含量低于18% 的不銹鋼（主要是鐵素體等級(jí)）被限制在低于816C。鉻含量為18%20%時(shí)，抗氧化性可達(dá)982，在1093時(shí)，至少需要25%以上才能有足夠的防垢鉻含量。隨著鎳含量的增加，不銹鋼大大提高了446等氧化層的抗分層能力。添加硅可以提高不銹鋼的抗氧化性，但添加硅會(huì)降低高溫強(qiáng)度。

2.2 媒體環(huán)境的影響

中等條件下接觸一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣，容易使不銹鋼的保護(hù)氧化膜變形，更嚴(yán)重的條件會(huì)破壞氧化膜。這些變形的發(fā)生是不可預(yù)測(cè)的，并且對(duì)合金的成分很敏感。水蒸氣的存在會(huì)增加腐蝕速率，增加鎳和鉻的含量可以在潮濕空氣中獲得更高的工作溫度。

2.3 硫化

在很多化工廠中，硫化物腐蝕發(fā)生的頻率僅次于氧化腐蝕，它降低了材料性能，使金屬不斷轉(zhuǎn)化為氧化皮，但很少形成堅(jiān)硬、連續(xù)的保護(hù)膜，因此熔合和極低的結(jié)合強(qiáng)度導(dǎo)致.加速腐蝕。硫化取決于硫的存在形式。

(1) 硫蒸氣。硫蒸氣會(huì)迅速腐蝕奧氏體不銹鋼，571C 下的硫蒸氣流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較高的腐蝕速率。對(duì)于液態(tài)硫，大多數(shù)奧氏體不銹鋼的溫度上限為240C，而穩(wěn)態(tài)321 可以滿足444.4C 的工作溫度。

(2)二氧化硫。在593-871C的溫度范圍內(nèi)，316不銹鋼暴露在氧氣和二氧化硫氣體的混合物中會(huì)失去光澤。

(3)硫化氫。硫化氫的腐蝕速度取決于硫化物氧化層的濃度、溫度、壓力和滲透率。如果鋼中含有鉻，它可以穩(wěn)定氧化層并減緩擴(kuò)散過程。但是，當(dāng)介質(zhì)在高壓高溫下含有氫時(shí)，腐蝕加劇，因此鉻含量低的鋼不能滿足介質(zhì)的要求。含18-20%鉻和8-20%鎳的不銹鋼材料是耐硫化氫高溫腐蝕的理想材料。

2.4 碳化

碳化會(huì)降低環(huán)境溫度下的延展性和沖擊強(qiáng)度，并使鋼更容易氧化。當(dāng)金屬在碳?xì)浠衔餁怏w、一氧化碳、焦?fàn)t煤氣或溶解有碳的熔融金屬等介質(zhì)條件下連續(xù)加熱時(shí)，就會(huì)發(fā)生碳化。鉻、鎳和硅的含量可以減緩碳化。

2.5 氫腐蝕

氫脆是指鋼的延展性（氫脆）因氫原子而降低，最終導(dǎo)致鋼開裂的現(xiàn)象。在低溫環(huán)境下，碳鋼和低合金鋼可以抵抗氫腐蝕，但在超過427和高壓（68.9 MPa）的情況下，只有鉻含量足夠的奧氏體不銹鋼才能具有良好的耐氫腐蝕能力。

2.6 氨氮

鉻含量為12% 或更高的不銹鋼在熱氨氣中使用是安全的，而低組分不銹鋼會(huì)起泡和破裂。并且鉻鎳不銹鋼優(yōu)于純含鉻不銹鋼。

2.7 鹵素

奧氏體不銹鋼在熱鹵素氣體中腐蝕性很強(qiáng)，氟的腐蝕性比氯強(qiáng)，高溫極限分別為249和316。在371C 時(shí)，水分與氯的比例為0.4% 水分是干燥的。氯的腐蝕性更強(qiáng)。

3 結(jié)論

耐腐蝕性（穩(wěn)定性）可能不是最重要的考慮因素，因?yàn)椴牧线x擇的基礎(chǔ)是介質(zhì)要求，尤其是強(qiáng)度。在許多高溫應(yīng)用中，管道部件需要強(qiáng)度和彈性來應(yīng)對(duì)溫度變化和熱梯度，以及它們所作用的載荷和應(yīng)力。本文在高溫材料選擇方面參考，工程設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用仍應(yīng)以工程設(shè)計(jì)規(guī)范、GB20801、ASMEB31.3等為依據(jù)。