熱介質中不銹鋼材料的選擇

發布時間：2021-07-13 09:06:01 丨 瀏覽次數：

本文介紹了不銹鋼材料在高溫下的一些性能數據以及在高溫下選擇不銹鋼時要考慮的其他影響因素。考慮到材料在高溫下的腐蝕，將分別討論幾種常見的腐蝕形式。關鍵詞：高溫材料選擇；不銹鋼在電力、石化、化工等領域經常暴露在高溫介質中，不銹鋼材料的性能可以滿足高溫條件下的應用。 800C1，但不同的不銹鋼在高溫下的性能不同。多種不銹鋼材料可滿足高溫介質的要求。在高溫下選擇材料時必須考慮設計壽命、允許變形、介質和操作環境以及成本。

1 高溫選材原則

對于高溫介質，在確定設計參數后，首先要考慮的是熱強度，它決定了材料在其預期設計壽命內的變形程度。第二個考慮因素是熱穩定性，更常見的是室溫脆化。

1.1 短期抗拉強度

在溫度達到482C 之前，短期抗拉強度至關重要（低合金鋼和不銹鋼的蠕變溫度為370C，碳鋼）。工程設計中所用材料的許用應力，即材料蠕變前的許用應力，與該材料的性能有關。當介質溫度超過482時，材料的高溫短期強度性能不再能代表材料的真實性能，而長期強度決定了材料的許用應力。獲得設計信息取決于蠕變和蠕變斷裂測試。

1.2 蠕變

溫度超過482后材料在應力作用下的變形是塑性變形而不是彈性變形，被測材料在短期拉伸試驗中的屈服點高于蠕變或蠕變斷裂強度。因此，在一定應力下工作溫度為482C 或更高的結構是否安全是時候了。在受力時間內，材料所能承受的應力和所能承受的最大彈性下降。蠕變試驗的作用是找出應力強度、時間和溫度不同時的蠕變速率和應變量。

1.3 蠕變爆破強度

蠕變斷裂強度試驗用于設定許用應力，10萬小時的斷裂強度值是材料的基本性能之一。對于不考慮變形變量而只考慮高溫運行壽命的零件，耐久強度極限是一個重要的設計標準。在設計大多數高溫設備時，我們遵循ASME 《鍋爐和壓力容器的規范》（我國壓力容器規范為GB150），這是長期安全設備的設計、制造、檢驗和施工的程序文件和最低設計要求。

1.4 熱穩定性

溫度和時間的差異可以改變所有鋼和合金的金相組織。對于不銹鋼，這些變化可能是軟化、碳化物沉淀或脆化。馬氏體不銹鋼在接近原始熱處理的正火溫度下會軟化。 304 等奧氏體不銹鋼會在427-899C 下析出碳化物。例外情況是超低碳和穩定的不銹鋼（例如分別為304L 和321），這會導致不銹鋼在某些晶間環境中失去韌性或腐蝕。

與鐵素體不銹鋼（371-510）接觸一段時間后，會出現不同的脆性。此外，含12% 鉻的馬氏體不銹鋼（例如410）在長時間暴露于(371-510C) 后趨于脆化，這種現象稱為475C 脆化。 475C 的脆性導致低延展性、低沖擊強度、增加的硬度和室溫下的拉伸強度，如果不小心處理會破壞金屬。

1.5格

晶格尺寸會影響材料（尤其是奧氏體不銹鋼）在高溫下的強度和延展性。在538-816C范圍內，細晶奧氏體不銹鋼比粗晶不銹鋼具有更好的延展性。如果在低溫下進行短期強度試驗，則細晶組織的強度增加，如果增加試驗時間或溫度，則粗晶組織的斷裂耐久性好。細晶粒是某些應用的理想選擇，但對于其他應用，粗晶粒可提供更長的使用壽命，具體取決于介質條件和溫度。

1.6H級不銹鋼

控制碳含量是減少失敗機會的重要因素。 H 級不銹鋼的壽命增加了三倍，并且沒有H 級不銹鋼的過早蠕變失效跡象（因為已知可以控制碳含量）。 304H 和316H 不銹鋼的可接受碳含量范圍為0.04-0.10%，而304 和316 型不銹鋼將最大碳含量限制為0.08%，并且不限制較低的碳含量。但現行標準的許用應力表在腳注中是強制性的，當介質溫度超過538C時，有效碳含量必須至少為0.04%。

2 材料在高溫下的耐腐蝕性

鉻是賦予不銹鋼耐腐蝕性能的主要合金元素，鉻和氧在不銹鋼表面形成一層薄而透明的氧化鉻保護膜。當不銹鋼暴露在高溫下時，不銹鋼表面的氧化膜性質會發生變化。在氧化性氣體溫度稍高的情況下，氧化膜仍可提供保護，但如果在極高溫度下加入腐蝕，則保護膜可能根本不起作用。

2.1 氧化

不銹鋼在恒溫介質中的抗氧化性或防垢性能取決于鉻含量。鉻含量低于18% 的不銹鋼（主要是鐵素體等級）被限制在低于816C。鉻含量為18%20%時，抗氧化性可達982，在1093時，至少需要25%以上才能有足夠的防垢鉻含量。隨著鎳含量的增加，不銹鋼大大提高了446等氧化層的抗分層能力。添加硅可以提高不銹鋼的抗氧化性，但添加硅會降低高溫強度。

2.2 媒體環境的影響

中等條件下接觸一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣，容易使不銹鋼的保護氧化膜變形，更嚴重的條件會破壞氧化膜。這些變形的發生是不可預測的，并且對合金的成分很敏感。水蒸氣的存在會增加腐蝕速率，增加鎳和鉻的含量可以在潮濕空氣中獲得更高的工作溫度。

2.3 硫化

在很多化工廠中，硫化物腐蝕發生的頻率僅次于氧化腐蝕，它降低了材料性能，使金屬不斷轉化為氧化皮，但很少形成堅硬、連續的保護膜，因此熔合和極低的結合強度導致.加速腐蝕。硫化取決于硫的存在形式。

(1) 硫蒸氣。硫蒸氣會迅速腐蝕奧氏體不銹鋼，571C 下的硫蒸氣流動會導致相對較高的腐蝕速率。對于液態硫，大多數奧氏體不銹鋼的溫度上限為240C，而穩態321 可以滿足444.4C 的工作溫度。

(2)二氧化硫。在593-871C的溫度范圍內，316不銹鋼暴露在氧氣和二氧化硫氣體的混合物中會失去光澤。

(3)硫化氫。硫化氫的腐蝕速度取決于硫化物氧化層的濃度、溫度、壓力和滲透率。如果鋼中含有鉻，它可以穩定氧化層并減緩擴散過程。但是，當介質在高壓高溫下含有氫時，腐蝕加劇，因此鉻含量低的鋼不能滿足介質的要求。含18-20%鉻和8-20%鎳的不銹鋼材料是耐硫化氫高溫腐蝕的理想材料。

2.4 碳化

碳化會降低環境溫度下的延展性和沖擊強度，并使鋼更容易氧化。當金屬在碳氫化合物氣體、一氧化碳、焦爐煤氣或溶解有碳的熔融金屬等介質條件下連續加熱時，就會發生碳化。鉻、鎳和硅的含量可以減緩碳化。

2.5 氫腐蝕

氫脆是指鋼的延展性（氫脆）因氫原子而降低，最終導致鋼開裂的現象。在低溫環境下，碳鋼和低合金鋼可以抵抗氫腐蝕，但在超過427和高壓（68.9 MPa）的情況下，只有鉻含量足夠的奧氏體不銹鋼才能具有良好的耐氫腐蝕能力。

2.6 氨氮

鉻含量為12% 或更高的不銹鋼在熱氨氣中使用是安全的，而低組分不銹鋼會起泡和破裂。并且鉻鎳不銹鋼優于純含鉻不銹鋼。

2.7 鹵素

奧氏體不銹鋼在熱鹵素氣體中腐蝕性很強，氟的腐蝕性比氯強，高溫極限分別為249和316。在371C 時，水分與氯的比例為0.4% 水分是干燥的。氯的腐蝕性更強。

3 結論

耐腐蝕性（穩定性）可能不是最重要的考慮因素，因為材料選擇的基礎是介質要求，尤其是強度。在許多高溫應用中，管道部件需要強度和彈性來應對溫度變化和熱梯度，以及它們所作用的載荷和應力。本文在高溫材料選擇方面參考，工程設計的實際應用仍應以工程設計規范、GB20801、ASMEB31.3等為依據。