第九章-防腐蝕設計

9.1選材

1.正確選材基本原則

正確合理選材是一個調查研究、綜合分析與比較鑒別的復雜而細致的過程，是防腐蝕設計成功與否的關鍵一環(huán)。選材應遵循如下基本原則。

A.材料的耐蝕性能要滿足設備或物件使用環(huán)境的要求

根據(jù)環(huán)境選擇材料，所選擇材料才能適應環(huán)境。

B.材料的物理、機械和加工工藝性能要滿足設備或物件的設計與加工制造要求

結構材料除具有一定的耐蝕性外，一般還要具有必要的機械性能(如強度、硬度、彈性、塑性、沖擊韌性、疲勞性能等)、物理性能(如耐熱、導電、導熱、光、磁及密度、比重等)及工藝性能(如機加工、鑄造、焊接性能等)。如泵材要求具有良好的耐磨性和鑄造性；換熱器用材要具有良好的導熱性；大型設備用材往往要有良好的可焊性。

C選材時力求最好的經(jīng)濟效益和社會效益

要優(yōu)先考慮國產的、價廉質優(yōu)的、資源豐富的材料。在可以用普通結構材料如鋼鐵、非金屬材料等時，不采用昂貴的貴金屬。在可以用資源較豐富的鋁、石墨、玻璃、鑄石等時，不用不銹鋼、銅、鉛等。在其他性能相近的情況下，不選用會引起環(huán)境污染的材料。

2.選材時應考慮的因素

選材順序如圖9-1所示，從圖中可見，選材時應考慮如下因素。A明確產品的工作環(huán)境

材料的選定主要是通過工藝流程中各種環(huán)境因素來決定的。選材時必須了解的環(huán)境因素包括化學因素和物理因素。以工程結構接觸水溶液為例，則化學因素包括溶液的組分、pH值、氧含量、可能發(fā)生的化學反應等；物理因素包括溶液溫度、流速、受熱和散熱條件、受力種類及大小等。

B查閱權威手冊，借鑒失效經(jīng)驗

查閱已公開出版的手冊、文獻，對于選材十分有益?？晒┎殚喌牟牧细g性能手冊主要有：左景伊編寫的《腐蝕數(shù)據(jù)手冊》，朱日彰等編寫的《金屬防腐蝕手冊》；美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)出版的《CorrosionDataSurvey》等。還可以查詢我國自然環(huán)境條件下的腐蝕數(shù)據(jù)庫。

與此同時，可仔細查閱腐蝕事故調查報告。如1971年美國Fontana發(fā)表的杜邦公司1968～1969年兩年間金屬材料損傷313例調查；日本發(fā)表的1964～1973年10年間985例不銹鋼失效事故報告；我國也有類似的分析報告。這些資料為正確選材提供了寶貴的經(jīng)驗和教訓。

C.腐蝕試驗

資料中所列的使用條件有時與實際使用條件并不完全一致，這時就必須進行腐蝕試驗。腐蝕試驗應是接近于實際環(huán)境的浸泡試驗或模擬試驗，條件許可時還應進行現(xiàn)場(掛片)試驗，甚至實物或應用試驗，以便獲得材料可靠的腐蝕性能數(shù)據(jù)。

D.兼顧經(jīng)濟性與耐用性

在保證產品在使用期內性能可靠的前提下，要考慮所選材料是否經(jīng)濟合理。一般不要選用比確實需要的材料還要昂貴的材料。采用完全耐蝕的材料并不一定是正確的選擇，應在充分估計預期使用壽命的范圍內，平衡一次投資與經(jīng)常性的維修費用、停產損失、廢品損失、安全保護費用等。對于長期運行的、一旦停產可造成巨大損失的設備，以及制造費用遠遠高于材料價值的設備，選擇耐蝕材料往往更經(jīng)濟。對于短期運行的設備，易更換的簡單零件，則可以考慮用成本較低、耐蝕性較差的材料。

就環(huán)境而言，在海水這樣較為苛刻的潮濕環(huán)境下，采用相對廉價材料并提供輔助的保護，一般比選用昂貴的材料更經(jīng)濟。在苛刻的腐蝕環(huán)境中，大多數(shù)情況下，采用耐腐蝕材料比選用廉價材料附加昂貴的保護措施更為可取。

E考慮防腐措施

在選材的同時，應考慮行之有效的防護措施。適當?shù)姆雷o如涂層保護、電化學保護及施加緩蝕劑等，不僅可以降低選材標準，而且有利于延長材料的使用壽命。

F考慮材料的加工性能

材料最后的選定還應考慮其加工焊接性能，加工后是否可進行熱處理，是否會降低耐蝕性。

9.2防腐蝕結構設計

1.合理的結構形式和表面狀態(tài)

結構件的形式力求簡單。這便于采取防腐蝕措施，便于檢查、排除故障，有利于維修。形狀復雜的構件，往往存在死角、縫隙、接頭，在這些部位容易積液或積塵，從而引起腐蝕。在無法簡化結構的情況下，可將構件設計成分體結構，使腐蝕嚴重的部位易于拆卸、更換。另外，構件的表面狀態(tài)，要盡量致密、光滑。通常光亮的表面比粗糙的表面更耐腐蝕。

2.防止積水或積塵

在有積水或積塵的地方，往往腐蝕的危險性大。因此在結構設計時，應盡可能不存在積水或積塵的坑洼。例如，容器的出口應位于最低處(圖9-2)；積液的部位，開排液孔；不讓水或塵埃積聚等(圖9-3)。

縫隙中的介質可引起金屬的縫隙腐蝕，但可通過拓寬縫隙、填塞縫隙、改變縫隙位置或防止介質進入等措施加以避免，見圖9-4。例如板材搭接盡可能以焊接代替鉚接，而且最好采用雙面對焊和連續(xù)焊外用絕緣材料封閉，而不宜采用搭接焊和點焊。在采用鉚接時，也應在鉚縫間填人一層不吸潮的墊片，見圖9-5。又如，安裝在混凝土基礎上的液體貯罐，會因滲出和凝結的液體進入基礎與罐底間的縫隙，而導致貯罐外底被腐蝕。此時應使用支架使罐底與基礎隔開來避免腐蝕，若用一塊焊接板把流到罐外的液體引開就更好，如圖9-6所示。4.防止電偶腐蝕

防止電偶腐蝕的常用辦法是避免腐蝕電位不同的金屬連接。電偶腐蝕僅在有電解質如潮濕環(huán)境下局部接觸地方才可能發(fā)生，若在干燥的環(huán)境就沒有這種腐蝕危險。防止或減少電偶腐蝕的措施如下：

(1)不應把電位序相差過大的金屬連接在一起。在海洋大氣及金屬表面可能長期接觸潮氣的場合，此要求務必滿足。

(2)將異種金屬相互隔開，防止金屬接觸。例如采用抗老化塑料或橡膠，如圖9-7所示。

(3)在兩種異類金屬之間插入第三種金屬材料，減少電位差，如圖9-8所示。(4)若不能避免異類金屬接觸時，一定要盡量降低陰極面積與陽極面積比，避免大陰極／小陽極的組合，如圖9-9所示。當陽極面積比陰極面積大且溶液有良好導電性時，腐蝕呈大面積分布，因而在大多數(shù)情況下不嚴重，如圖9-9(a)。但若溶液導電性不好時，則在靠近陰極附近的陽極區(qū)域會發(fā)生嚴重腐蝕，如圖9-9(b)。當陽極面積比陰極面積小時，嚴重腐蝕的危險性很大，如圖9-9(c)。

(5)結構的合理設計使水分不會在接觸點集聚或存留。

(6)用防腐蝕漆或瀝青涂覆接觸區(qū)及其周圍。涂覆后由于電流路徑加長，電阻增大，導致電偶腐蝕速率顯著降低。不能只涂賤金屬，因為在涂層的氣孔處會發(fā)生局部腐蝕；只涂貴金屬，在許多場合是可行的。

5.防止磨損腐蝕

當金屬表面處于流速很高的腐蝕性液體中時，會發(fā)生磨損腐蝕。磨損腐蝕在具有局部高流速和湍流顯著的地方特別大。因此在設計時，應避免構件出現(xiàn)可造成湍流的凸臺、溝槽、直角等突變結構(如圖9-10所示)，而應盡可能采用流線型結構，如圖9-11所示。

為使流速不超過一定的限度，管子的曲率半徑一般應為管徑的3倍以上，而且不同金屬這個數(shù)值也不同，如軟鋼和銅管為3倍，高強鋼取5倍。流速越高，管子曲率半徑則越大。在高流速的接頭部位，也應采用流線型結構，而不采用T型結構，如圖9-12所示。

為避免高流速液體直接沖擊容器壁，可在適當位置安裝易于拆卸的緩沖板或折流板，如圖9-13所示，還可以考慮采取加固該處的容器壁的措施。6.防止環(huán)境誘發(fā)破裂

環(huán)境誘發(fā)破裂是由機械應力和腐蝕聯(lián)合作用產生，包括應力腐蝕破裂和腐蝕疲勞。防止這類破壞的措施旨在消除拉應力(或交變應力)或腐蝕環(huán)境，或者可能時使兩者一并消除。

(1)零件在改變形狀和尺寸時，不要有

尖角，而應有足夠的圓弧過渡，如圖9-14所示。當不同壁厚的管子需要直接焊在一起時，應將焊接處厚壁管徑逐漸減小到與薄壁管徑相同，以使焊縫和過渡區(qū)分開(l≥δ)，因而焊縫處于低應力區(qū)，如圖9-15所示，這

樣會防止焊接應力與工作應力疊加而出現(xiàn)很高的拉應力。

(2)加大危險截面的尺寸和局部強度。避免構件的承載能力在應力最大的地方被凹槽、截面的突然變化、尖角、切口、鍵槽、油孔、螺紋等所削弱。

(3)結構構件中的開口應開在低應力部位。選擇合適的開口形狀和方向控制應力集中。圖9-16所示是不同開口形狀和方向所對應的應力集中系數(shù)Kt，及Kt與相對壽命曲線。由圖可知，長軸平行于拉力方向的橢圓形開口最好，Kt最小，相對壽命最長。如在受剪切的板件中，拉力方向變化范圍大時，可選用圓的開口。

(4)對各種載荷，流線型的填角焊縫可減少應力集中和改善應力線，如圖9-17所示。

(5)設計的結構不能產生顫動、振動或傳遞振動；禁止載荷、溫度或壓力的急劇變化。

(6)結構設計中應盡量避免間隙和可能造成廢渣、殘液留存的死角，防止有害物質如Cl的濃縮，以改變或抑制腐蝕性環(huán)境。

此外，減少結構偏心，避免復合應力集中等措施在設計中也應注意。

7.避免溫度不均引起的腐蝕

加熱器或加熱盤管的位置應向著容器的中心，以防止出現(xiàn)溫差電池，如圖9-18所示。

建在導熱支架上的貯氣罐，在外部溫度低于氣體的露點時，可能因保溫不均而引起氣體凝露而腐蝕罐壁。這種露點腐蝕可通過用良好絕緣的方法來避免，如圖9-19所示。

建在導熱支架上的貯氣罐，在外部溫度低于氣體的露點時，可能因保溫不均而引起氣體凝露而腐蝕罐壁。這種露點腐蝕可通過用良好絕緣的方法來避免，如圖9-19所示。

8.設備和建筑物的位置合理性

建筑物的位置如有選擇可能，應選擇自然腐蝕較低的位置，如避免海洋大氣、工業(yè)排水、化工廠有害煙塵的加速腐蝕，如圖9-20所示。設備的位置分布應避免其中一部分對另一部分的有害作用，如圖9-21所示。

9.3防腐蝕措施的選擇

根據(jù)具體情況選擇方便、有效、可行的防腐蝕措施，是減緩材料及設備腐蝕的重要環(huán)節(jié)。

選擇防腐蝕措施時，既要考慮設備、裝置的整體性及主要部件的結構特征，又要考慮組成材料的性質和環(huán)境性質，還要考慮防腐蝕措施的使用條件和特點。只有將上述因素統(tǒng)籌考慮，才能選擇最佳的防腐措施。可供選擇的防腐措施總體上可分三大類。(1)覆蓋層保護。通過在設備表面涂覆保護層而使設備與介質隔開。這些措施包括：電鍍層、化學鍍層、擴散鍍層、熱浸鍍層、熱噴涂層、涂料涂層、塑料和橡膠涂層、陶瓷涂層、密封、襯里等。

(2)電化學保護?！娀瘜W保護可分為陰極保護和陽極保護兩類。

(3)改善環(huán)境。改善環(huán)境就是去除有害的物質，加入有利的物質。去除有害物質，首先要干燥脫水，控制相對濕度在60％以下；防止水及水溶液進入設備。如果設備服役時，必須與水或水溶液接觸，則要考慮脫氣和脫鹽。脫氣就是去除腐蝕性大氣、煙氣等；脫鹽就是去除鹽的沉積物。此外還要去塵，即防止灰塵積聚。加入有利物質就是添加各種類型的緩蝕劑。

9.4防腐蝕強度設計

A均勻腐蝕的強度設計

、

均勻腐蝕的強度設計，常采用留取腐蝕余量的方法。腐蝕余量是根據(jù)預計的腐蝕量增加材料的尺寸以資補償，來保證原設計的壽命要求。腐蝕余量的計算方法是先根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)手冊，查出結構材料在一定腐蝕介質條件下的年腐蝕量，然后按構件使用年限，計算腐蝕尺寸。此外，還要考慮結構部位的重要性和其他安全系數(shù)，所以實際留出的腐蝕余量比計算的要大一些。腐蝕余量的大小，要根據(jù)具體情況而定。一般來說，介質的腐蝕性越大，腐蝕余量也越大。對于管道和槽體，由于所接觸的往往是腐蝕性較強的介質，所以設計時壁厚常為計算量的兩倍。腐蝕余量一般局限于預計腐蝕率特別高的結構部分，例如液一氣交界區(qū)。

B局部腐蝕的強度設計

局部腐蝕類型較多，破壞形式相差較大。目前還很難根據(jù)局部腐蝕的強度降低，采用強度公式對腐蝕余量進行估算。在設計中常將腐蝕與機械強度綜合起來考慮，通過正確選材、合理的結構設計、加工工藝設計、施加涂層以及控制環(huán)境介質等措施來防止腐蝕發(fā)生。例如在有殘余應力和誘發(fā)應力的場合，優(yōu)先選擇抗晶間腐蝕和應力腐蝕的材料。又如在可能遭受振動的場合，避免采用鉚接裝配，應采用在摩擦面增加墊片、襯墊或設計撓性支架等辦法，

防止磨損腐蝕。但是對應力腐蝕斷裂和腐蝕疲勞，在材料的數(shù)據(jù)齊全的情況下，可能作出合適可靠的設計。例如在有應力腐蝕斷裂危險的場合，設計時應保證構件所受拉應力不超過該結構材料在實際應用環(huán)境中的應力腐蝕臨界應力。在可能出現(xiàn)腐蝕疲勞的場合，應保證可變載荷不超過構件疲勞極限。

C加工中的強度設計

在加工、裝配過程中，可能引起材料腐蝕強度特性發(fā)生變化，應引起注意。有些加工工藝可提高材料的強度，應盡可能采用。如噴丸強化可將壓應力引入材料表面；熱處理、表面處理、超聲波振蕩等措施可解除材料的殘余應力。有些加工會使材料的強度降低，如酸洗或電鍍可使材料滲氫，而引起氫脆。某些不銹鋼在焊接時，由于敏化溫度影響而造成晶間腐蝕，使材料強度下降，在使用中造成斷裂。所以在加工、裝配中應嚴格遵守工藝規(guī)程，并采用有效的補救措施。

9.5防腐蝕工藝設計

金屬材料在加工制造、裝配及貯運等過程中，可能發(fā)生腐蝕或留下腐蝕隱患，因此必須重視防腐蝕工藝設計。下面就加工和裝配環(huán)節(jié)中，應考慮到的防腐蝕措施作一簡要介紹。A.機械加工

在機械加工中產生的殘余應力對耐蝕有不利的影響，為此，金屬材料最好在退火狀態(tài)下進行機械加工和冷彎、冷沖等成型工藝，以使制件的殘余應力較?。辉诩庸ず笠M行應力解除熱處理。有時采用磨光、拋光和噴丸強化等加工來增加金屬表面殘余壓應力，以提高材料的耐蝕性。機加工還要保證制件表面有較高的光潔度，較少的表面缺陷。此外，機械加工中使用的切削冷卻液，應對所加工的材料沒有腐蝕作用。對機加工周期較長的零件，應采取必要的工序間防銹措施。

B.熱處理

應正確選擇熱處理氣氛，例如為防止金屬氧化，最好選用真空或可控氣氛熱處理；也可考慮使用熱處理保護涂層；對有氫脆敏感性的材料，要禁止在氫氣氛中加熱。應有嚴格的熱處理規(guī)范，避免因熱處理不當引起的晶間腐蝕和應力腐蝕等。對可產生

較大殘余應力的熱處理，應有解除殘余應力的措施。可能時，應盡量采用可造成制件表面產

生壓應力的工藝，如表面淬火、化學熱處理等。此外，也要注意消除熱處理中可能帶來的腐蝕性殘余物。

C.鍛造和擠壓

鍛造和擠壓件的性能呈各向異性。在短橫向上應力腐蝕最敏感，因此在設計時應避免在此方向上承受大的工作應力；在縱向上可承受大的載荷。在鍛造前應選擇合適的鍛造工藝，如自由鍛比模鍛高強鋁合金的抗應力腐蝕性能好。在鍛造時，應控制流線末端的外露。鍛造后應對鍛件采取解除殘余應力的措施。這些考慮均可提高鍛件的耐蝕能力。

D.鑄造

鑄件表面存在大量的孔洞、砂眼和夾雜等缺陷，這些地方易于積聚腐蝕介質而被腐蝕，而且還可能成為應力腐蝕或腐蝕疲勞的危險區(qū)。此外，表面多孔層還影響對鑄件進行