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深入看材料选择

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材料选择涉及复杂的程序,需要了解失效敏感性和腐蚀控制方法,以及不同工程学科之间的合作。

材料选择是工程设计中主要的腐蚀控制方法。它对工程造价的有效估算、施工进度安排和安全运行起着重要作用。

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材料选择的基本概念包括:

  • 材料类型:这涵盖了可选择的广泛可用材料。
  • 材料特性:这涉及检查满足特定应用/用途要求的机械、物理和耐腐蚀性能。
  • 材料经济学:这涉及各种材料的所有权、资本、维护和运营成本。

常用材料概述

工业中有许多工程材料。在这里,我们将了解一些最常见的属性。

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碳钢

碳钢指碳含量低于2%的铁基金属家族。碳钢由于其易于制造、成本低、可用性和高强度而成为最常用的材料。碳钢的应用范围很广,从结构部件到高压设备。

考虑碳钢合金化铬,钼,钒和铌的含量低合金钢. 合金元素形成碳化物在微观结构中,在高温下提高材料的强度和可靠性,例如发电厂锅炉。

在零下温度下,碳钢的韧性较低,因此添加镍以保持韧性。镍含量越高,低温范围越大,尤其是液态气体应用,以防止液化天然气(LNG)和液化石油气(LPG)设备发生脆性断裂。

铸铁

铸铁是一种铁基金属,碳含量超过2%。它是廉价的,不需要额外的处理来减少碳含量。然而,它是脆性和有限的焊接性。用于水泵、管道等非关键部件,具有与碳钢相似的耐腐蚀性能。灰口铸铁和球墨铸铁是最常见的铸铁类型。

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不锈钢(SS)

不锈钢是一种钢型,铬至少为11%,与镍,钼和氮气组合。在各种能源,化学和石化行业中,不锈钢可靠地用于腐蚀性环境。有几种类型的不锈钢,取决于合金化含量和微观结构。

阅读:不锈钢简介

铁素体不锈钢
铁素体不锈钢是最经济的类型,镍含量非常低。它们容易敏化且难以焊接,因此用于未焊接部件。尽管铁素体不锈钢具有中等的耐腐蚀性,但其耐氯化物应力腐蚀开裂(SCC)。

马氏体不锈钢
马氏体不锈钢镍含量低,用途与铁素体不锈钢相似。它们具有高强度,许多管道由马氏体不锈钢制成。它们的高硬度使它们更适合用于防腐蚀。

奥氏体不锈钢钢
奥氏体不锈钢是行业中最常用的不锈钢。具有较高的镍,它们具有良好的耐腐蚀性,并且易于制造。有不同的奥氏体不锈钢等级可根据环境的腐蚀性选择。一些较低合金等级对氯化物SCC具有低抗性。奥氏体不锈钢广泛用于低温应用。

阅读:关于奥氏体不锈钢你需要知道的12件事

双相不锈钢
双相不锈钢具有铁素体和奥氏体双重微观结构,具有综合性能。它们具有很高的强度和很好的耐腐蚀性,特别是抗氯化物辅助SCC,使其适合在海上应用。然而,双相不锈钢继承了铁素体相较低的强度。

降水硬化不锈钢钢
沉淀硬化不锈钢具有高强度和韧性,由奥氏体、半奥氏体或马氏体组织,取决于热处理。尽管它们具有良好的可焊性,但它们的应用受到限制,例如用于高性能弹簧。

合金

合金结合不同的金属,允许不同的性能。以下是一些最常见的合金及其关键特性。

镍合金

镍合金具有优异的耐腐蚀性,但由于镍含量高,通常与钼等其他合金元素结合使用,因此价格昂贵。有许多类型的镍合金以品牌名称命名,如Hastelloy、Incoloy、Monel等,这些名称属于过期专利,但命名遗产仍然存在。镍合金耐氯化物辅助应力腐蚀和硫化物辅助应力腐蚀。

研讨会:镍合金的耐蚀性

铝合金

铝合金具有良好的强度重量比和良好的耐腐蚀性。然而,他们容易受到影响电偶腐蚀当与铁基金属接触时。由于铝的熔化温度较低,铝合金的应用仅限于低温用途。由于铝合金具有优异的热性能和延展性,因此可用于低温应用,如液化天然气行业的热交换器。

铜合金

铜合金通常用于海水环境和热交换器。它们具有很高的抵抗力生物污染,特别是微孔和可导致局部腐蚀的滞留条件,以及与过度流动有关的腐蚀。一些铜合金在含有氨的环境中易于SCC。

钛合金

钛合金在高氯环境中具有良好的强度重量比和高耐蚀性。然而,它们价格昂贵且难以制造。非合金钛是工业上常用的,它比其他钛牌号更经济。

阅读:有5件事要了解和理解钛腐蚀

陶瓷制品

因为他们的脆性性 - 尽管它们的耐腐蚀性高 -陶瓷制品不用于承压设备。陶瓷用于高温设备和零件,如耐火材料,并用于防止磨损。耐火材料用陶瓷通常由铝、镁和硅的氧化物组成。为了耐磨,陶瓷由碳化物或氮化物组成。

聚合物

聚合物用作热塑性塑料,热固性剂和弹性体.大多数聚合物是非常耐腐蚀的,甚至比许多耐腐蚀性合金更多。然而,聚合物具有低强度,低熔点和有限的抗紫外线。在腐蚀性,高压应用中,聚合物可用于金属表面上的耐腐蚀衬垫。HDPE,PVC和PTFE是热塑性塑料的例子,但尽管存在于同一组中,但它们具有不同的性质和应用。热固性剂通常不用作固体材料,而是用作复合材料的涂层或涂层。弹性体具有独特的机械性能,并用于许多加压应用中的密封部件。

阅读:高分子材料的腐蚀

复合材料

复合材料是两种或两种以上材料的组合,以实现两种材料的性能,从而实现特定应用的最佳特性。工业上最常见的复合材料结合聚合物基体中的玻璃纤维和混凝土基体中的钢筋. 纤维强度高,基体韧性好,应力分布均匀。增强纤维可以由玻璃、金属、碳和其他聚合物(如芳纶)制成。E-玻璃是一种常用的纤维,还有其他类型的玻璃适用于不同的应用,如耐化学性的C-玻璃或耐疲劳性的R-玻璃。热固性聚合物是一种常用的复合材料基体,易于制造,具有良好的机械性能和耐腐蚀性能。热塑性聚合物不像热固性聚合物那样常用,由于其高延展性,它往往被用于可缠绕管道。

钢筋混凝土是一种重要的结构材料,在海水、污水等腐蚀性环境中,钢筋会发生腐蚀。涂层、阴极保护和不锈钢的使用可以减轻腐蚀。

材料选择时应考虑的因素

一般而言,材料考虑的主要因素包括但不限于:

  • 机械性能
  • 腐蚀性能
  • 总拥有成本
  • 可用性
  • 易于制造

对于承重应用,要检查机械性能,以确保结构完整性。工程材料的力学性能变化很大,这取决于微观结构、化学成分和制造工艺。这些品种由国际或当地的管理机构标准化,如ASTM, ISO或JIS。基本力学性能包括但不限于:

  • 抗拉强度
  • 冲击能量
  • 伸长
  • 硬度
  • 乏力
  • 断裂韧性
  • 蠕动
  • 其他因素取决于具体应用

这些特性通常是从制造过程中样品的破坏性测试中获得的,结果在材料证书中说明。然而,专门的机械测试是事先进行的,以避免买方和制造商之间的纠纷。

随着时间的推移,材料会因称为腐蚀的环境诱发反应而降解。环境腐蚀性因环境性质、所选材料和应用而异。必须正确选择材料,以确保使用寿命期间的可靠性和安全运行。

腐蚀可以由大气、土壤、水、化学物质、石油和天然气以及微生物引起,也可以由不同的腐蚀剂引起不同类型的腐蚀。减轻腐蚀的材料选择一般采用以下方法:

  • 热力学腐蚀图/图表
  • 腐蚀模型
  • 化学兼容性表
  • 实验室测试(动电位极化、浸泡、电化学阻抗谱、应力腐蚀开裂)
  • 技术许可方建议
  • 操作反馈

热力学腐蚀图/图表

腐蚀图/图表是基于实验室测试和/或现场性能收集的数据。收集的数据是基于实验室试验或现场试验研究的参数。

腐蚀模型

腐蚀模型用于根据经验公式预测腐蚀速率。这些模型以专有软件程序或excel表格的形式使用,输入参数。有一些公司的模型2.腐蚀、氧腐蚀和裂纹扩展速率。模型的精度可能会有所不同,因为并非所有腐蚀参数都可以包含在模型中,模型是根据实验获得的数据经验生成的。

化学兼容性表

化学相容性表或图表是定性工具,用于确定环境条件与应用所选材料之间的相容性。对于某些情况,需要进行额外的调查和测试,以更好地确定所选材料的相容性。

实验室测试

实验室测试是针对需要分析数据的情况进行的,以评估所选材料在模拟环境条件下的性能。环境条件、实验室设置和实验条件安排在一个标准化的实验室环境中,以确保获得的数据代表用于有效和合适的材料选择的参数。

技术许可方建议

有些加工技术是专有的,专有技术安排由许可方拥有。许可方选择的材料通常代表保证目的的最低要求。

操作反馈

来自实际经验的操作反馈很有价值,因为它们提供了实时、基于现场的数据。历史数据收集(操作参数变化、材料证书、焊接工艺规范(WPS)/工艺评定记录(PQR)、检查报告、故障分析报告等)对于确保选择合适的材料至关重要。

评估材料选择决策的成本

成本是材料选择的主要考虑因素,资本支出(CAPEX)和运营费用(OPEX)的平衡至关重要。材料和腐蚀工程师应选择满足预算、成本和性能考虑的材料。资本支出的重要性不仅在于所选的散装材料,还在于制造工艺和产品形式。OPEX的影响在于修复和更换腐蚀材料,以及腐蚀控制、腐蚀监测和缓蚀剂注入。使用碳钢可能具有较低的资本支出,但具有较高的运营支出,而使用不锈钢则会产生相反的影响。

材料的可用性也起着至关重要的作用,特别是在项目进度方面。例如,在可能增加成本的情况下,由于与供应商有关的限制、低数量或可能需要最低数量订单的库存,使用专有材料可能需要比通常更长时间的交货时间。

如果不提前计划,难以制造的材料可能会严重影响项目进度,尤其是在大量使用时。例如,需要焊后热处理(PWHT)的材料在石油和天然气设施中可能需要数千个焊接件,以及数千个工时来满足PWHT要求。难以焊接的材料可能会减慢焊接速度并提高修复率。

结论

材料选择涉及复杂的程序,需要了解失效敏感性和腐蚀控制方法,以及不同工程学科之间的合作。

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写道安德里索雷迪亚|材料和腐蚀顾问

安德里·苏蒂亚万简介图

Andry Soetiawan是一家独立的材料和腐蚀顾问,拥有14年的经验,跨越广泛的行业价值链,从材料制造和咨询到最终用户。作为普通作者,安德里写入简单但深入的列,分享他自己的观察和经验与其他关于腐蚀的工程师。

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