第九章-防腐蝕設(shè)計(jì)

9.1選材

1.正確選材基本原則

正確合理選材是一個(gè)調(diào)查研究、綜合分析與比較鑒別的復(fù)雜而細(xì)致的過程，是防腐蝕設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵一環(huán)。選材應(yīng)遵循如下基本原則。

A.材料的耐蝕性能要滿足設(shè)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(yīng)環(huán)境。

B.材料的物理、機(jī)械和加工工藝性能要滿足設(shè)備或物件的設(shè)計(jì)與加工制造要求

結(jié)構(gòu)材料除具有一定的耐蝕性外，一般還要具有必要的機(jī)械性能(如強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、沖擊韌性、疲勞性能等)、物理性能(如耐熱、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光、磁及密度、比重等)及工藝性能(如機(jī)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(dǎo)熱性；大型設(shè)備用材往往要有良好的可焊性。

C選材時(shí)力求最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

要優(yōu)先考慮國產(chǎn)的、價(jià)廉質(zhì)優(yōu)的、資源豐富的材料。在可以用普通結(jié)構(gòu)材料如鋼鐵、非金屬材料等時(shí)，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(shí)，不用不銹鋼、銅、鉛等。在其他性能相近的情況下，不選用會(huì)引起環(huán)境污染的材料。

2.選材時(shí)應(yīng)考慮的因素

選材順序如圖9-1所示，從圖中可見，選材時(shí)應(yīng)考慮如下因素。A明確產(chǎn)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(shí)必須了解的環(huán)境因素包括化學(xué)因素和物理因素。以工程結(jié)構(gòu)接觸水溶液為例，則化學(xué)因素包括溶液的組分、pH值、氧含量、可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)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(quán)威手冊，借鑒失效經(jīng)驗(yàn)

查閱已公開出版的手冊、文獻(xiàn)，對于選材十分有益。可供查閱的材料腐蝕性能手冊主要有：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(huì)(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(shí)，可仔細(xì)查閱腐蝕事故調(diào)查報(bào)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(diào)查；日本發(fā)表的1964～1973年10年間985例不銹鋼失效事故報(bào)告；我國也有類似的分析報(bào)告。這些資料為正確選材提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

C.腐蝕試驗(yàn)

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

D.兼顧經(jīng)濟(jì)性與耐用性

在保證產(chǎn)品在使用期內(nèi)性能可靠的前提下，要考慮所選材料是否經(jīng)濟(jì)合理。一般不要選用比確實(shí)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(yīng)在充分估計(jì)預(yù)期使用壽命的范圍內(nèi)，平衡一次投資與經(jīng)常性的維修費(fèi)用、停產(chǎn)損失、廢品損失、安全保護(hù)費(fèi)用等。對于長期運(yùn)行的、一旦停產(chǎn)可造成巨大損失的設(shè)備，以及制造費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料價(jià)值的設(shè)備，選擇耐蝕材料往往更經(jīng)濟(jì)。對于短期運(yùn)行的設(shè)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(jià)材料并提供輔助的保護(hù)，一般比選用昂貴的材料更經(jīng)濟(jì)。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(jià)材料附加昂貴的保護(hù)措施更為可取。

E考慮防腐措施

在選材的同時(shí)，應(yīng)考慮行之有效的防護(hù)措施。適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)如涂層保護(hù)、電化學(xué)保護(hù)及施加緩蝕劑等，不僅可以降低選材標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)考慮其加工焊接性能，加工后是否可進(jìn)行熱處理，是否會(huì)降低耐蝕性。

9.2防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.合理的結(jié)構(gòu)形式和表面狀態(tài)

結(jié)構(gòu)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(fù)雜的構(gòu)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(jié)構(gòu)的情況下，可將構(gòu)件設(shè)計(jì)成分體結(jié)構(gòu)，使腐蝕嚴(yán)重的部位易于拆卸、更換。另外，構(gòu)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(xiǎn)性大。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能不存在積水或積塵的坑洼。例如，容器的出口應(yīng)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(zhì)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(zhì)進(jìn)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(diǎn)焊。在采用鉚接時(shí)，也應(yīng)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(chǔ)上的液體貯罐，會(huì)因滲出和凝結(jié)的液體進(jìn)入基礎(chǔ)與罐底間的縫隙，而導(dǎo)致貯罐外底被腐蝕。此時(shí)應(yīng)使用支架使罐底與基礎(chǔ)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(zhì)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(xiǎn)。防止或減少電偶腐蝕的措施如下：

(1)不應(yīng)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(wù)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(shí)，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(dāng)陽極面積比陰極面積大且溶液有良好導(dǎo)電性時(shí)，腐蝕呈大面積分布，因而在大多數(shù)情況下不嚴(yán)重，如圖9-9(a)。但若溶液導(dǎo)電性不好時(shí)，則在靠近陰極附近的陽極區(qū)域會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，如圖9-9(b)。當(dāng)陽極面積比陰極面積小時(shí)，嚴(yán)重腐蝕的危險(xiǎn)性很大，如圖9-9(c)。

(5)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)使水分不會(huì)在接觸點(diǎn)集聚或存留。

(6)用防腐蝕漆或?yàn)r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(dǎo)致電偶腐蝕速率顯著降低。不能只涂賤金屬，因?yàn)樵谕繉拥臍饪滋帟?huì)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(dāng)金屬表面處于流速很高的腐蝕性液體中時(shí)，會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免構(gòu)件出現(xiàn)可造成湍流的凸臺(tái)、溝槽、直角等突變結(jié)構(gòu)(如圖9-10所示)，而應(yīng)盡可能采用流線型結(jié)構(gòu)，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(yīng)為管徑的3倍以上，而且不同金屬這個(gè)數(shù)值也不同，如軟鋼和銅管為3倍，高強(qiáng)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(yīng)采用流線型結(jié)構(gòu)，而不采用T型結(jié)構(gòu)，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(dāng)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(jī)械應(yīng)力和腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生，包括應(yīng)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(yīng)力(或交變應(yīng)力)或腐蝕環(huán)境，或者可能時(shí)使兩者一并消除。

(1)零件在改變形狀和尺寸時(shí)，不要有

尖角，而應(yīng)有足夠的圓弧過渡，如圖9-14所示。當(dāng)不同壁厚的管子需要直接焊在一起時(shí)，應(yīng)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(yīng)力區(qū)，如圖9-15所示，這

樣會(huì)防止焊接應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加而出現(xiàn)很高的拉應(yīng)力。

(2)加大危險(xiǎn)截面的尺寸和局部強(qiáng)度。避免構(gòu)件的承載能力在應(yīng)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(jié)構(gòu)構(gòu)件中的開口應(yīng)開在低應(yīng)力部位。選擇合適的開口形狀和方向控制應(yīng)力集中。圖9-16所示是不同開口形狀和方向所對應(yīng)的應(yīng)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(shí)，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(yīng)力集中和改善應(yīng)力線，如圖9-17所示。

(5)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生顫動(dòng)、振動(dòng)或傳遞振動(dòng)；禁止載荷、溫度或壓力的急劇變化。

(6)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)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(zhì)如Cl的濃縮，以改變或抑制腐蝕性環(huán)境。

此外，減少結(jié)構(gòu)偏心，避免復(fù)合應(yīng)力集中等措施在設(shè)計(jì)中也應(yīng)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(yīng)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(dǎo)熱支架上的貯氣罐，在外部溫度低于氣體的露點(diǎn)時(shí)，可能因保溫不均而引起氣體凝露而腐蝕罐壁。這種露點(diǎn)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(dǎo)熱支架上的貯氣罐，在外部溫度低于氣體的露點(diǎn)時(shí)，可能因保溫不均而引起氣體凝露而腐蝕罐壁。這種露點(diǎn)腐蝕可通過用良好絕緣的方法來避免，如圖9-19所示。

8.設(shè)備和建筑物的位置合理性

建筑物的位置如有選擇可能，應(yīng)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(shè)備的位置分布應(yīng)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(shè)備腐蝕的重要環(huán)節(jié)。

選擇防腐蝕措施時(shí)，既要考慮設(shè)備、裝置的整體性及主要部件的結(jié)構(gòu)特征，又要考慮組成材料的性質(zhì)和環(huán)境性質(zhì)，還要考慮防腐蝕措施的使用條件和特點(diǎn)。只有將上述因素統(tǒng)籌考慮，才能選擇最佳的防腐措施?？晒┻x擇的防腐措施總體上可分三大類。(1)覆蓋層保護(hù)。通過在設(shè)備表面涂覆保護(hù)層而使設(shè)備與介質(zhì)隔開。這些措施包括：電鍍層、化學(xué)鍍層、擴(kuò)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(xué)保護(hù)?！娀瘜W(xué)保護(hù)可分為陰極保護(hù)和陽極保護(hù)兩類。

(3)改善環(huán)境。改善環(huán)境就是去除有害的物質(zhì)，加入有利的物質(zhì)。去除有害物質(zhì)，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(jìn)入設(shè)備。如果設(shè)備服役時(shí)，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(zhì)就是添加各種類型的緩蝕劑。

9.4防腐蝕強(qiáng)度設(shè)計(jì)

A均勻腐蝕的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

、

均勻腐蝕的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，常采用留取腐蝕余量的方法。腐蝕余量是根據(jù)預(yù)計(jì)的腐蝕量增加材料的尺寸以資補(bǔ)償，來保證原設(shè)計(jì)的壽命要求。腐蝕余量的計(jì)算方法是先根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)手冊，查出結(jié)構(gòu)材料在一定腐蝕介質(zhì)條件下的年腐蝕量，然后按構(gòu)件使用年限，計(jì)算腐蝕尺寸。此外，還要考慮結(jié)構(gòu)部位的重要性和其他安全系數(shù)，所以實(shí)際留出的腐蝕余量比計(jì)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(zhì)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(qiáng)的介質(zhì)，所以設(shè)計(jì)時(shí)壁厚常為計(jì)算量的兩倍。腐蝕余量一般局限于預(yù)計(jì)腐蝕率特別高的結(jié)構(gòu)部分，例如液一氣交界區(qū)。

B局部腐蝕的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

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(qiáng)度降低，采用強(qiáng)度公式對腐蝕余量進(jìn)行估算。在設(shè)計(jì)中常將腐蝕與機(jī)械強(qiáng)度綜合起來考慮，通過正確選材、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝設(shè)計(jì)、施加涂層以及控制環(huán)境介質(zhì)等措施來防止腐蝕發(fā)生。例如在有殘余應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力的場合，優(yōu)先選擇抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的材料。又如在可能遭受振動(dòng)的場合，避免采用鉚接裝配，應(yīng)采用在摩擦面增加墊片、襯墊或設(shè)計(jì)撓性支架等辦法，

防止磨損腐蝕。但是對應(yīng)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(shè)計(jì)。例如在有應(yīng)力腐蝕斷裂危險(xiǎn)的場合，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證構(gòu)件所受拉應(yīng)力不超過該結(jié)構(gòu)材料在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力。在可能出現(xiàn)腐蝕疲勞的場合，應(yīng)保證可變載荷不超過構(gòu)件疲勞極限。

C加工中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

在加工、裝配過程中，可能引起材料腐蝕強(qiáng)度特性發(fā)生變化，應(yīng)引起注意。有些加工工藝可提高材料的強(qiáng)度，應(yīng)盡可能采用。如噴丸強(qiáng)化可將壓應(yīng)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(yīng)力。有些加工會(huì)使材料的強(qiáng)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(shí)，由于敏化溫度影響而造成晶間腐蝕，使材料強(qiáng)度下降，在使用中造成斷裂。所以在加工、裝配中應(yīng)嚴(yán)格遵守工藝規(guī)程，并采用有效的補(bǔ)救措施。

9.5防腐蝕工藝設(shè)計(jì)

金屬材料在加工制造、裝配及貯運(yùn)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(shè)計(jì)。下面就加工和裝配環(huán)節(jié)中，應(yīng)考慮到的防腐蝕措施作一簡要介紹。A.機(jī)械加工

在機(jī)械加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)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(jìn)行機(jī)械加工和冷彎、冷沖等成型工藝，以使制件的殘余應(yīng)力較??；在加工后要進(jìn)行應(yīng)力解除熱處理。有時(shí)采用磨光、拋光和噴丸強(qiáng)化等加工來增加金屬表面殘余壓應(yīng)力，以提高材料的耐蝕性。機(jī)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(jī)械加工中使用的切削冷卻液，應(yīng)對所加工的材料沒有腐蝕作用。對機(jī)加工周期較長的零件，應(yīng)采取必要的工序間防銹措施。

B.熱處理

應(yīng)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(hù)涂層；對有氫脆敏感性的材料，要禁止在氫氣氛中加熱。應(yīng)有嚴(yán)格的熱處理規(guī)范，避免因熱處理不當(dāng)引起的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。對可產(chǎn)生

較大殘余應(yīng)力的熱處理，應(yīng)有解除殘余應(yīng)力的措施?？赡軙r(shí)，應(yīng)盡量采用可造成制件表面產(chǎn)

生壓應(yīng)力的工藝，如表面淬火、化學(xué)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(yīng)力腐蝕最敏感，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免在此方向上承受大的工作應(yīng)力；在縱向上可承受大的載荷。在鍛造前應(yīng)選擇合適的鍛造工藝，如自由鍛比模鍛高強(qiáng)鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能好。在鍛造時(shí)，應(yīng)控制流線末端的外露。鍛造后應(yīng)對鍛件采取解除殘余應(yīng)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(zhì)而被腐蝕，而且還可能成為應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞的危險(xiǎn)區(qū)。此外，表面多孔層還影響對鑄件進(jìn)行