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不锈钢材料在高温介质下的选用

作者:admin 来源: 日期:2019/1/6 18:13:05 人气:34

本文讨论了高温下选用不锈钢应注意不锈钢材料在高温下的一些性能数据以及高温下需要考虑的其他影响因素。再有考虑材料在高温下的腐蚀情况,分别讨论了几种常见的腐蚀形式。关键词:高温材料选择;不锈钢在电力、石化、化工等领域经常会接触到高温介质,不锈钢材料的性能正好能满足高温条件下的应用,很多设计规范常用牌号的奥氏体不锈钢材料的上限温度都高达8001,但不同的不锈钢高温下的性能表现不同。不锈钢材料的多样性能正好满足高温介质的需求。设计寿命、允许的形变程度、介质和操作环境以及费用四个方面是高温下材料选择需要考虑的因素。

1高温下材料的选择原则

当设计参数都确定下来之后,对于高温介质,首先考虑的因素是决定材料在预期的设计寿命中变形程度的热强度。第二点需要考虑的才是热稳定性,更多的时候是考虑常温脆化。

1.1短时的抗拉强度

温度一直到482℃之前,短时的拉伸强度最为重要(这里说的是低合金钢和不锈钢,碳钢的蠕变温度为370℃)。工程设计上应用的材料许用应力,在材料发生蠕变之前,许用应力的获得和材料的这一属性相关。如果介质的温度超过482℃,材料的高温短时强度性能已经不能代表材料的真实表现,而是长期强度决定材料的许用应力2,即设计信息的获取要靠蠕变和蠕变断裂的测试。

1.2蠕变

温度超过482℃以后,材料在应力下的变形是塑性变形而不是弹性变形,短时拉伸试验测试的材料的屈服点要比蠕变或者蠕变断裂强度要高。所以,操作温度超过482℃承受一定应力的结构是否安全的因素是时间。在应力作用时间的过程中,材料能承受的应力和能承受的最大拉伸度都降低了。蠕变测试的作用在于查明当应力作用的强度、时间和温度不同时蠕变的速率和形变量。

1.3蠕变断裂强度

蠕变断裂强度测试,用于建立许用应力,100000小时的断裂强度值是材料的基本属性之一。对在高温运转中不考虑形变量、只考虑使用寿命的构件,持久强度极限是重要的设计依据。在设计大多数的高温设备的时候都按照ASME《锅炉和压力容器的规范》(我国的压力容器的规范为GB150),它是设计、制造、检查和长期使用的安全设备建造的纲领性文件和最低设计要求。

1.4热稳定性

伴随着温度和时间的不同,任何钢材和合金的金相组织都可能发生改变。就不锈钢来说,这个变化可能是软化、碳化物析出、或者脆化。马氏体不锈钢当暴露在接近原来热处理时的正火温度的时候发生软化。类似304这样的奥氏体不锈钢的在427-899℃会发生碳化物的析出,除了超低碳和稳定态的不锈钢(举例分别是304L321),这会导致不锈钢韧性的丢失或者在特定的环境下发生晶间腐蚀。

铁素体不锈钢当暴露在(371-510℃)超过一段时间会出现另外一种脆化现象。还有12%的铬元素的马氏体不锈钢(例如:410)当暴露在(371-510℃)很长一段时间以后偶尔也会显示出脆化倾向,这个现象叫做475℃脆化现象。475℃脆化造成材料低延展性、低冲击强度、增加硬度和室温下的抗拉强度,这些现象如果不仔细应对的话金属会出现破坏。

1.5晶格

晶格尺寸对高温下的材料的强度和延展性是有影响的,奥氏体不锈钢尤为显著。在538-816℃范围内,细晶粒奥氏体不锈钢比粗晶粒拥有更好的延展性。在更低的温度下进行短时强度试验的时候,更细晶粒结构拥有更高的强度,当增加测试时间或者温度,粗晶粒的结构表现出更好的断裂持久强度。对于一些应用来讲细晶粒是理想的,然而对于其他的应用粗晶粒提供更长的使用寿命,这些都取决于介质条件及温度。

1.6H等级的不锈钢

控制碳含量是减少失效发生几率的重要的因素。H等级的不锈钢的使用寿命上升了三倍,而且即使采用不带H型的不锈钢(因为知道控制碳的含量)也没有任何过早蠕变失效的迹象。304H316H不锈钢的碳含量允许范围为0.04-0.10%,尽管304316型的不锈钢只是限制了最大的碳含量0.08%,没有对碳含量的下限值进行限制。但是目前的规范许用应力的表格通过角注进行了强制规定,介质温度超过538℃时候,必须要求有效碳含量最小0.04%

2高温下材料的耐腐蚀

铬是赋予不锈钢耐腐蚀性能的主要合金元素,铬和氧气在不锈钢的表面形成一层薄的、透明的、氧化铬保护膜。当不锈钢暴露在高温下,不锈钢表面的氧化膜的性质会发生变化。在稍高温度的氧化气体中,氧化膜还能起到保护作用,但在极端的高温情况下加上腐蚀的话,保护膜可能根本起不到作用。

2.1氧化

在没有波动的温度介质中,不锈钢的抗氧化性或者抗结垢性能取决于铬元素组分的含量。铬元素含量小于18%的不锈钢(主要是铁素体等级)被限制到低于816℃。铬含量在18%20%抗氧化性可以到982℃,要想在1093℃时有足够的抗结垢铬元素的含量至少需要25%。随着镍组分的提高,不锈钢大大增强抵抗氧化层剥落,如446型。硅的添加也能增强不锈钢的抗氧化性,但是硅的增加减少了高温的强度。

2.2介质环境的影响

暴露在中等条件下的一氧化碳、二氧化碳和水蒸汽中,不锈钢保护性的氧化膜更容易发生变形,当条件变得更加苛刻,氧化膜的损坏可能发生。这些转变的发生是不可预测并且对合金的组分也很敏感。水蒸汽的出现会增加腐蚀速率,增加镍和铬的含量可以允许更高的湿空气下的操作温度。

2.3硫化

在许多化工厂里,硫化腐蚀仅次于氧化腐蚀发生的频率,它降低材料性能,持续将金属转化成氧化皮,但是很少形成坚韧的、连续的保护膜,所以熔断和很低的结合力导致了加速腐蚀。硫化取决于硫存在的形式。

(1)硫蒸汽。硫蒸汽能快速的腐蚀奥氏体不锈钢,相对高的腐蚀速率发生在流动的571℃硫蒸汽。对于液硫,大多数奥氏体不锈钢温度上限是240℃,稳定态的321可以满足工作在444.4℃的温度下。

(2)二氧化硫。在593-871℃的温度范围内,316型的不锈钢暴露在氧气和二氧化硫气体的混合物中,仅仅导致不锈钢严重失去光泽。

(3)硫化氢。硫化氢的腐蚀速率取决于浓度、温度、压力和对硫化物氧化层的渗透性。钢材含有铬元素的时候可以稳定氧化层减慢扩散的过程。然而,在高的压力和温度下,当有介质含有氢气时,腐蚀会加剧,到这个程度含有较低铬含量的钢材不能满足介质的要求。含有18-20%的铬和8-20%镍的不锈钢材料是耐硫化氢高温腐蚀的最理想材料。

2.4碳化

碳化会降低环境温度下的延展性和冲击强度,使钢钢材易于氧化。在碳氢化合物气体、一氧化碳、焦炉气、或者溶解了碳的熔融金属等介质条件下,金属连续受热就会引起碳化。铬、镍、硅元素的含量可以减缓碳化现象。

2.5氢腐蚀

氢脆是指氢原子造成的降低钢材延展性(氢脆),最终造成钢材破裂。在温度较低的环境下,碳钢和低合金钢能耐氢腐蚀,但是在温度超过427℃和在高压(68.9MPa)下只有具有足够铬组份奥氏体不锈钢才能有很好的抗氢腐蚀的能力.

2.6氨和氮

超过12%组分铬的不锈钢使用在高温氨气上是安全的,低组分的则会发生鼓泡和破裂。且铬镍不锈钢比单纯含铬的不锈钢更好。

2.7卤素

奥氏体不锈钢在卤素的高温气体下会发生严重的腐蚀,氟比氯的腐蚀更为严重,对高温的限制分别是249℃和316℃,在371℃,含有0.4%的水的湿氯气比干氯气的腐蚀性更强。

3结语

材料选择的基础是介质需求,尤其是强度,所以抗腐蚀(稳定性)可以不是最主要的考虑。管道元件需要有强度和弹性去应对作用在他们上的荷载和应力,还包括许多高温应用时的温度改变和热梯度。本文从高温下选材的角度具有参考性,真正要应用于工程设计还是要根据工程设计规范,GB20801ASMEB31.3等。