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    不鏽鋼材料在高溫介質下的選用

    作者:admin 來源: 日期:2019/1/6 18:13:05 人氣:28

    本文討論了高溫下選用不鏽鋼應注意不鏽鋼材料在高溫下的一些性能數據以及高溫下需要考慮的其他影響因素。再有考慮材料在高溫下的腐蝕情況,分別討論了幾種常見的腐蝕形式。關鍵詞:高溫材料選擇;不鏽鋼在電力、石化、化工等領域經常會接觸到高溫介質,不鏽鋼材料的性能正好能滿足高溫條件下的應用,很多設計規範常用牌號的奧氏體不鏽鋼材料的上限溫度都高達8001,但不同的不鏽鋼高溫下的性能表現不同。不鏽鋼材料的多樣性能正好滿足高溫介質的需求。設計壽命、允許的形變程度、介質和操作環境以及費用四個方麵是高溫下材料選擇需要考慮的因素。

    1高溫下材料的選擇原則

    當設計參數都確定下來之後,對於高溫介質,首先考慮的因素是決定材料在預期的設計壽命中變形程度的熱強度。第二點需要考慮的才是熱穩定性,更多的時候是考慮常溫脆化。

    1.1短時的抗拉強度

    溫度一直到482℃之前,短時的拉伸強度最為重要(這裏說的是低合金鋼和不鏽鋼,碳鋼的蠕變溫度為370℃)。工程設計上應用的材料許用應力,在材料發生蠕變之前,許用應力的獲得和材料的這一屬性相關。如果介質的溫度超過482℃,材料的高溫短時強度性能已經不能代表材料的真實表現,而是長期強度決定材料的許用應力2,即設計信息的獲取要靠蠕變和蠕變斷裂的測試。

    1.2蠕變

    溫度超過482℃以後,材料在應力下的變形是塑性變形而不是彈性變形,短時拉伸試驗測試的材料的屈服點要比蠕變或者蠕變斷裂強度要高。所以,操作溫度超過482℃承受一定應力的結構是否安全的因素是時間。在應力作用時間的過程中,材料能承受的應力和能承受的最大拉伸度都降低了。蠕變測試的作用在於查明當應力作用的強度、時間和溫度不同時蠕變的速率和形變量。

    1.3蠕變斷裂強度

    蠕變斷裂強度測試,用於建立許用應力,100000小時的斷裂強度值是材料的基本屬性之一。對在高溫運轉中不考慮形變量、隻考慮使用壽命的構件,持久強度極限是重要的設計依據。在設計大多數的高溫設備的時候都按照ASME《鍋爐和壓力容器的規範》(我國的壓力容器的規範為GB150),它是設計、製造、檢查和長期使用的安全設備建造的綱領性文件和最低設計要求。

    1.4熱穩定性

    伴隨著溫度和時間的不同,任何鋼材和合金的金相組織都可能發生改變。就不鏽鋼來說,這個變化可能是軟化、碳化物析出、或者脆化。馬氏體不鏽鋼當暴露在接近原來熱處理時的正火溫度的時候發生軟化。類似304這樣的奧氏體不鏽鋼的在427-899℃會發生碳化物的析出,除了超低碳和穩定態的不鏽鋼(舉例分別是304L321),這會導致不鏽鋼韌性的丟失或者在特定的環境下發生晶間腐蝕。

    鐵素體不鏽鋼當暴露在(371-510℃)超過一段時間會出現另外一種脆化現象。還有12%的鉻元素的馬氏體不鏽鋼(例如:410)當暴露在(371-510℃)很長一段時間以後偶爾也會顯示出脆化傾向,這個現象叫做475℃脆化現象。475℃脆化造成材料低延展性、低衝擊強度、增加硬度和室溫下的抗拉強度,這些現象如果不仔細應對的話金屬會出現破壞。

    1.5晶格

    晶格尺寸對高溫下的材料的強度和延展性是有影響的,奧氏體不鏽鋼尤為顯著。在538-816℃範圍內,細晶粒奧氏體不鏽鋼比粗晶粒擁有更好的延展性。在更低的溫度下進行短時強度試驗的時候,更細晶粒結構擁有更高的強度,當增加測試時間或者溫度,粗晶粒的結構表現出更好的斷裂持久強度。對於一些應用來講細晶粒是理想的,然而對於其他的應用粗晶粒提供更長的使用壽命,這些都取決於介質條件及溫度。

    1.6H等級的不鏽鋼

    控製碳含量是減少失效發生幾率的重要的因素。H等級的不鏽鋼的使用壽命上升了三倍,而且即使采用不帶H型的不鏽鋼(因為知道控製碳的含量)也沒有任何過早蠕變失效的跡象。304H316H不鏽鋼的碳含量允許範圍為0.04-0.10%,盡管304316型的不鏽鋼隻是限製了最大的碳含量0.08%,沒有對碳含量的下限值進行限製。但是目前的規範許用應力的表格通過角注進行了強製規定,介質溫度超過538℃時候,必須要求有效碳含量最小0.04%

    2高溫下材料的耐腐蝕

    鉻是賦予不鏽鋼耐腐蝕性能的主要合金元素,鉻和氧氣在不鏽鋼的表麵形成一層薄的、透明的、氧化鉻保護膜。當不鏽鋼暴露在高溫下,不鏽鋼表麵的氧化膜的性質會發生變化。在稍高溫度的氧化氣體中,氧化膜還能起到保護作用,但在極端的高溫情況下加上腐蝕的話,保護膜可能根本起不到作用。

    2.1氧化

    在沒有波動的溫度介質中,不鏽鋼的抗氧化性或者抗結垢性能取決於鉻元素組分的含量。鉻元素含量小於18%的不鏽鋼(主要是鐵素體等級)被限製到低於816℃。鉻含量在18%20%抗氧化性可以到982℃,要想在1093℃時有足夠的抗結垢鉻元素的含量至少需要25%。隨著鎳組分的提高,不鏽鋼大大增強抵抗氧化層剝落,如446型。矽的添加也能增強不鏽鋼的抗氧化性,但是矽的增加減少了高溫的強度。

    2.2介質環境的影響

    暴露在中等條件下的一氧化碳、二氧化碳和水蒸汽中,不鏽鋼保護性的氧化膜更容易發生變形,當條件變得更加苛刻,氧化膜的損壞可能發生。這些轉變的發生是不可預測並且對合金的組分也很敏感。水蒸汽的出現會增加腐蝕速率,增加鎳和鉻的含量可以允許更高的濕空氣下的操作溫度。

    2.3硫化

    在許多化工廠裏,硫化腐蝕僅次於氧化腐蝕發生的頻率,它降低材料性能,持續將金屬轉化成氧化皮,但是很少形成堅韌的、連續的保護膜,所以熔斷和很低的結合力導致了加速腐蝕。硫化取決於硫存在的形式。

    (1)硫蒸汽。硫蒸汽能快速的腐蝕奧氏體不鏽鋼,相對高的腐蝕速率發生在流動的571℃硫蒸汽。對於液硫,大多數奧氏體不鏽鋼溫度上限是240℃,穩定態的321可以滿足工作在444.4℃的溫度下。

    (2)二氧化硫。在593-871℃的溫度範圍內,316型的不鏽鋼暴露在氧氣和二氧化硫氣體的混合物中,僅僅導致不鏽鋼嚴重失去光澤。

    (3)硫化氫。硫化氫的腐蝕速率取決於濃度、溫度、壓力和對硫化物氧化層的滲透性。鋼材含有鉻元素的時候可以穩定氧化層減慢擴散的過程。然而,在高的壓力和溫度下,當有介質含有氫氣時,腐蝕會加劇,到這個程度含有較低鉻含量的鋼材不能滿足介質的要求。含有18-20%的鉻和8-20%鎳的不鏽鋼材料是耐硫化氫高溫腐蝕的最理想材料。

    2.4碳化

    碳化會降低環境溫度下的延展性和衝擊強度,使鋼鋼材易於氧化。在碳氫化合物氣體、一氧化碳、焦爐氣、或者溶解了碳的熔融金屬等介質條件下,金屬連續受熱就會引起碳化。鉻、鎳、矽元素的含量可以減緩碳化現象。

    2.5氫腐蝕

    氫脆是指氫原子造成的降低鋼材延展性(氫脆),最終造成鋼材破裂。在溫度較低的環境下,碳鋼和低合金鋼能耐氫腐蝕,但是在溫度超過427℃和在高壓(68.9MPa)下隻有具有足夠鉻組份奧氏體不鏽鋼才能有很好的抗氫腐蝕的能力.

    2.6氨和氮

    超過12%組分鉻的不鏽鋼使用在高溫氨氣上是安全的,低組分的則會發生鼓泡和破裂。且鉻鎳不鏽鋼比單純含鉻的不鏽鋼更好。

    2.7鹵素

    奧氏體不鏽鋼在鹵素的高溫氣體下會發生嚴重的腐蝕,氟比氯的腐蝕更為嚴重,對高溫的限製分別是249℃和316℃,在371℃,含有0.4%的水的濕氯氣比幹氯氣的腐蝕性更強。

    3結語

    材料選擇的基礎是介質需求,尤其是強度,所以抗腐蝕(穩定性)可以不是最主要的考慮。管道元件需要有強度和彈性去應對作用在他們上的荷載和應力,還包括許多高溫應用時的溫度改變和熱梯度。本文從高溫下選材的角度具有參考性,真正要應用於工程設計還是要根據工程設計規範,GB20801ASMEB31.3等。

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