热介质中不锈钢材料的选择

发布时间：2021-07-13 09:06:01 丨 浏览次数：

本文介绍了不锈钢材料在高温下的一些性能数据以及在高温下选择不锈钢时要考虑的其他影响因素。考虑到材料在高温下的腐蚀，将分别讨论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、化工等领域经常暴露在高温介质中，不锈钢材料的性能可以满足高温条件下的应用。 800C1，但不同的不锈钢在高温下的性能不同。多种不锈钢材料可满足高温介质的要求。在高温下选择材料时必须考虑设计寿命、允许变形、介质和操作环境以及成本。

1 高温选材原则

对于高温介质，在确定设计参数后，首先要考虑的是热强度，它决定了材料在其预期设计寿命内的变形程度。第二个考虑因素是热稳定性，更常见的是室温脆化。

1.1 短期抗拉强度

在温度达到482C 之前，短期抗拉强度至关重要（低合金钢和不锈钢的蠕变温度为370C，碳钢）。工程设计中所用材料的许用应力，即材料蠕变前的许用应力，与该材料的性能有关。当介质温度超过482时，材料的高温短期强度性能不再能代表材料的真实性能，而长期强度决定了材料的许用应力。获得设计信息取决于蠕变和蠕变断裂测试。

1.2 蠕变

温度超过482后材料在应力作用下的变形是塑性变形而不是弹性变形，被测材料在短期拉伸试验中的屈服点高于蠕变或蠕变断裂强度。因此，在一定应力下工作温度为482C 或更高的结构是否安全是时候了。在受力时间内，材料所能承受的应力和所能承受的最大弹性下降。蠕变试验的作用是找出应力强度、时间和温度不同时的蠕变速率和应变量。

1.3 蠕变爆破强度

蠕变断裂强度试验用于设定许用应力，10万小时的断裂强度值是材料的基本性能之一。对于不考虑变形变量而只考虑高温运行寿命的零件，耐久强度极限是一个重要的设计标准。在设计大多数高温设备时，我们遵循ASME 《锅炉和压力容器的规范》（我国压力容器规范为GB150），这是长期安全设备的设计、制造、检验和施工的程序文件和最低设计要求。

1.4 热稳定性

温度和时间的差异可以改变所有钢和合金的金相组织。对于不锈钢，这些变化可能是软化、碳化物沉淀或脆化。马氏体不锈钢在接近原始热处理的正火温度下会软化。 304 等奥氏体不锈钢会在427-899C 下析出碳化物。例外情况是超低碳和稳定的不锈钢（例如分别为304L 和321），这会导致不锈钢在某些晶间环境中失去韧性或腐蚀。

与铁素体不锈钢（371-510）接触一段时间后，会出现不同的脆性。此外，含12% 铬的马氏体不锈钢（例如410）在长时间暴露于(371-510C) 后趋于脆化，这种现象称为475C 脆化。 475C 的脆性导致低延展性、低冲击强度、增加的硬度和室温下的拉伸强度，如果不小心处理会破坏金属。

1.5格

晶格尺寸会影响材料（尤其是奥氏体不锈钢）在高温下的强度和延展性。在538-816C范围内，细晶奥氏体不锈钢比粗晶不锈钢具有更好的延展性。如果在低温下进行短期强度试验，则细晶组织的强度增加，如果增加试验时间或温度，则粗晶组织的断裂耐久性好。细晶粒是某些应用的理想选择，但对于其他应用，粗晶粒可提供更长的使用寿命，具体取决于介质条件和温度。

1.6H级不锈钢

控制碳含量是减少失败机会的重要因素。 H 级不锈钢的寿命增加了三倍，并且没有H 级不锈钢的过早蠕变失效迹象（因为已知可以控制碳含量）。 304H 和316H 不锈钢的可接受碳含量范围为0.04-0.10%，而304 和316 型不锈钢将最大碳含量限制为0.08%，并且不限制较低的碳含量。但现行标准的许用应力表在脚注中是强制性的，当介质温度超过538C时，有效碳含量必须至少为0.04%。

2 材料在高温下的耐腐蚀性

铬是赋予不锈钢耐腐蚀性能的主要合金元素，铬和氧在不锈钢表面形成一层薄而透明的氧化铬保护膜。当不锈钢暴露在高温下时，不锈钢表面的氧化膜性质会发生变化。在氧化性气体温度稍高的情况下，氧化膜仍可提供保护，但如果在极高温度下加入腐蚀，则保护膜可能根本不起作用。

2.1 氧化

不锈钢在恒温介质中的抗氧化性或防垢性能取决于铬含量。铬含量低于18% 的不锈钢（主要是铁素体等级）被限制在低于816C。铬含量为18%20%时，抗氧化性可达982，在1093时，至少需要25%以上才能有足够的防垢铬含量。随着镍含量的增加，不锈钢大大提高了446等氧化层的抗分层能力。添加硅可以提高不锈钢的抗氧化性，但添加硅会降低高温强度。

2.2 媒体环境的影响

中等条件下接触一氧化碳、二氧化碳和水蒸气，容易使不锈钢的保护氧化膜变形，更严重的条件会破坏氧化膜。这些变形的发生是不可预测的，并且对合金的成分很敏感。水蒸气的存在会增加腐蚀速率，增加镍和铬的含量可以在潮湿空气中获得更高的工作温度。

2.3 硫化

在很多化工厂中，硫化物腐蚀发生的频率仅次于氧化腐蚀，它降低了材料性能，使金属不断转化为氧化皮，但很少形成坚硬、连续的保护膜，因此熔合和极低的结合强度导致.加速腐蚀。硫化取决于硫的存在形式。

(1) 硫蒸气。硫蒸气会迅速腐蚀奥氏体不锈钢，571C 下的硫蒸气流动会导致相对较高的腐蚀速率。对于液态硫，大多数奥氏体不锈钢的温度上限为240C，而稳态321 可以满足444.4C 的工作温度。

(2)二氧化硫。在593-871C的温度范围内，316不锈钢暴露在氧气和二氧化硫气体的混合物中会失去光泽。

(3)硫化氢。硫化氢的腐蚀速度取决于硫化物氧化层的浓度、温度、压力和渗透率。如果钢中含有铬，它可以稳定氧化层并减缓扩散过程。但是，当介质在高压高温下含有氢时，腐蚀加剧，因此铬含量低的钢不能满足介质的要求。含18-20%铬和8-20%镍的不锈钢材料是耐硫化氢高温腐蚀的理想材料。

2.4 碳化

碳化会降低环境温度下的延展性和冲击强度，并使钢更容易氧化。当金属在碳氢化合物气体、一氧化碳、焦炉煤气或溶解有碳的熔融金属等介质条件下连续加热时，就会发生碳化。铬、镍和硅的含量可以减缓碳化。

2.5 氢腐蚀

氢脆是指钢的延展性（氢脆）因氢原子而降低，最终导致钢开裂的现象。在低温环境下，碳钢和低合金钢可以抵抗氢腐蚀，但在超过427和高压（68.9 MPa）的情况下，只有铬含量足够的奥氏体不锈钢才能具有良好的耐氢腐蚀能力。

2.6 氨氮

铬含量为12% 或更高的不锈钢在热氨气中使用是安全的，而低组分不锈钢会起泡和破裂。并且铬镍不锈钢优于纯含铬不锈钢。

2.7 卤素

奥氏体不锈钢在热卤素气体中腐蚀性很强，氟的腐蚀性比氯强，高温极限分别为249和316。在371C 时，水分与氯的比例为0.4% 水分是干燥的。氯的腐蚀性更强。

3 结论

耐腐蚀性（稳定性）可能不是最重要的考虑因素，因为材料选择的基础是介质要求，尤其是强度。在许多高温应用中，管道部件需要强度和弹性来应对温度变化和热梯度，以及它们所作用的载荷和应力。本文在高温材料选择方面参考，工程设计的实际应用仍应以工程设计规范、GB20801、ASMEB31.3等为依据。