浅谈双相不锈钢在碱腐蚀环境下的应用

尹志敏，张 婧

（新地能源工程技术有限公司，河北石家庄 050000）

浅谈双相不锈钢在碱腐蚀环境下的应用

尹志敏，张 婧

（新地能源工程技术有限公司，河北石家庄 050000）

对某化工项目中的6台压力容器运行工况分析，通过实验数据及论证，探讨双相不锈钢S22053耐碱腐蚀的性能，从而为类似工况下的压力容器选材提供借鉴。

双相不锈钢；压力容器；碱腐蚀

在某化工项目中，有一台压力容器，设备直径4 200mm，直筒段高度为6.5m，上、下封头采用标准椭圆形封头，压力容器内筒设计压力为2.0MPa，设计温度为220℃，介质为水、煤灰渣（29.4%）和NaOH（6.05%），容器内设置有搅拌装置，通过桨叶旋转，物料在容器内充分混合和反应。在本设备中，运行工况苛刻，高温下的碱腐蚀和煤灰渣对普通容器钢板有很强的腐蚀和冲刷，设计单位原定方案为Q345R堆焊哈氏合金N10276，造价高昂。本文通过实验数据结果，论证双相不锈钢S22053的耐碱腐蚀情况。

1 关于S22053双相不锈钢

S22053牌号的不锈钢，是一种使用最为广泛的的双相不锈钢，由铬、钼及、镍、氮等元素构成的复式不锈钢。其中添加N元素可以使焊接状态下热影响区的韧性和耐蚀性能接近于基体金属的性能，还可以降低有害金属间相的形成速率。S22053的化学成分如表1所示：

表1 S22053的化学成分及含量（%）

S22053不锈钢的复式微观结构有助于提高其抗应力裂隙腐蚀的能力。它具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部的抗应力腐蚀能力。S22053兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高，热膨胀系数更低，导热性更高[1]。S22053 不锈钢焊接性很好，其所要达到的性能为焊接金属和热变质部分仍然保持和基底金属同样的抗腐蚀能力、强度及韧性。但是，双相不锈钢S22053仍具有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜在高于300℃的温度下使用[2]。

2 碱环境下的腐蚀

在较高温度和一定浓度的氢氧化钠溶液的特定环境下，热碱溶液会对碳钢或合金钢产生应力腐蚀，这种现象俗称碱脆或苛性碱脆化。

钢碱脆的机理目前还没有统一的认识。一般主伙是碳钢在高温下与水蒸气产生如下的化学反应：

在这个反应中，氢氧化钠起着催化作用，其反应过程机理是：

反应生成的Fe3O4覆盖在钢的表面，形成一层保护膜。但可能由于过高的局部拉伸应力会使局部区域的保护膜遭到破坏，也可能由于氢氧化钠在表面富集使Fe3O4被溶解，或由于这两种情况的联合作用，在金属表面形成最初的腐蚀裂纹，氢氧化钠富集在裂纹中，形成电化学腐蚀。裂纹的尖端区域成为阳极，而裂纹周围的保护层成为阴极，再加上拉伸应力的作用，使裂纹迅速扩展，最终导致断裂。

3 耐碱腐蚀性能

为了验证双相不锈钢在高温下抵抗碱腐蚀的性能，进行了挂片失重实验，将一定表面积的试件浸泡在一定温度和浓度的NaOH溶液中，一定时间后，取出试件，利用分析天平对试件实验前后的进行称重，通过双相不锈钢S22053试件在碱性溶液中的质量减少量，计算该种材料的腐蚀速率，判断材料的耐腐蚀性能。实验结果如表2所示：

表2 耐碱腐蚀实验数据

式中υ：年均腐蚀速率（mm/a）

m0：试件实验前质量（g）

m1：试件实验后质量（g）

S：试件的表面积（mm2）

h：试验时间（h）

ρ：试件的密度（7 800kg/m3）

利用实验数据，代入以上公式，计算得到试件的年均腐蚀速率为：

υ=0.105mm/a

金属材料按照腐蚀率大小，可分为4个等级[3]，如表3所示。

表3 腐蚀评价

另外，在工程应用中，反应类的压力容器的设计使用寿命，一般设置为15～20a，以20a计，10%浓度的NaOH溶液环境下，介质对双相不锈钢的腐蚀量为0.105×20=2.1mm，即双相不锈钢对于碱性环境，具有一定的耐腐蚀能力。

4 结构设计

考虑安全可靠性及经济性，选用常用的容器钢板Q345R作为基材承压元件，耐腐蚀方面考虑堆焊4mm厚的S22053双相不锈钢，同时，考虑高速物料对容器壁面的冲刷磨损腐蚀，且目前在行业内还没有在相同的工况下的实际运行经验和冲蚀数据支撑，物料对容器避免的冲蚀磨损数据还不清晰。为了保障容器的最小承压壁厚要求，设计与物料接触部分的壁面在堆焊的基础上焊接2mm厚的S22053双相不锈钢，在设备运行过程中，定期对容器钢板进行测厚，如果减薄严重，及时更换内衬2mm厚的S22053钢板。保证容器不会由于钢板腐蚀严重，导致应力过大产生容器破坏和安全生产事故。

5 经济性分析

原预定设计方案中，选材为：Q345R+堆焊哈氏合金N10276（30mm+6mm），如采用S22053双相不锈钢耐蚀方案，则结构设计为：Q345R+复合S22053+焊接S22053（30mm+ 4mm+2mm）。两种方案经济性对比如表4所示。

表4 经济性对比

续表

6 结束语

综上所述在低浓度和高温的碱性环境中，采用普通压力容器低合金钢板作为主要的承压元件，通过设计复合+内衬焊接的结构形式，可以起到耐低浓度高温碱性介质的碱腐蚀，保证压力容器安全的前提下，大幅度降低了设备的投资费用。

[1] 乐平，刘雪燕，郁凉峰，等.00CrNi5Mo3N中合金双相不锈钢的热处理[J].热处理.2009，24（5）：50-52.

[2] 吴玖 双相不锈钢[M].北京：冶金工业出版社，1999.

[3] 左景伊，左禹.腐蚀数据与选材手册[M].北京：化学工业出版社，1995.

Application of Duplex Stainless Steel in Alkali Corrosion Environment

Yin Zhi-min，Zhang Jing

Analysis on the operation condition of 6 sets of pressure vessels in a chemical project，through the experimental data and demonstration，performance of the S22053 alkali corrosion of duplex stainless steel，so as to provide reference for the similar working condition of the pressure vessel material.

duplex stainless steel；pressure vessel；alkaline corrosion

TG172

：A

：1003–6490（2017）04–0111–02

2017–04–06

尹志敏（1988—），男，湖北黄冈人，设计师，主要从事压力容器的设计工作。