選材誤區(qū)案例

選材誤區(qū)案例

根據(jù)腐蝕科學(xué)家的調(diào)查和估算，大量腐蝕損失是由于對腐蝕認(rèn)識的無知而引起的。只要將已掌握的腐蝕科學(xué)和工程知識普遍推廣，全部腐蝕損失中越1/4~1/5的損失完全可以挽回。由于每個行業(yè)、工廠、企業(yè)、交通運輸?shù)榷即嬖谟貌暮瓦x材的問題，而絕大多數(shù)的工程技術(shù)和管理人員又不具備腐蝕科學(xué)的知識，或者知道的還不夠完備，因此遇到某些腐蝕問題，由于選材者理解不夠，往往步入誤區(qū)，以致造成重大損失。以下總結(jié)了選擇者易犯的十點錯誤（當(dāng)然不限于這十點），如果所有科技、管理工作者能熟悉這類問題的正確處理辦法，相信每年將會減少幾億、幾十、百億元的損失！(1)選材事先不查閱資料

除非卻有把握，選材前必須查閱腐蝕數(shù)據(jù)和相關(guān)資料，因為腐蝕現(xiàn)象一般都復(fù)雜，新的腐蝕現(xiàn)象又不斷出現(xiàn)。以為選材是件簡單的事，是一個錯誤概念。由下例可以看出這種錯覺造成損失的嚴(yán)重性。美國阿波羅登月計劃中用鈦合金貯槽貯燃料N2O4，有一次對20個鈦槽作壓力試驗，因為N2O4危險，改用甲醇代做試液。由于甲醇和N2O4一些物性相似，試壓時鈦槽產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕破裂，一次損失約150萬美元。鈦合金在甲醇中會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂，是在這次試壓前十年就發(fā)現(xiàn)的事實，只要主管人員事前花一點時間查查文獻(xiàn)，就能避免這筆龐大的浪費。

在國內(nèi)，類似情況也屢見不鮮，如用18/8不銹鋼作氯化鎂、氯化鈣的蒸發(fā)器；用鋁容器裝堿、水泥和石灰水；用銅和銅合金處理含氧的酸等，曾造成了大量不必要的損失。(2)認(rèn)為不銹鋼是萬能耐蝕材料

除不銹鋼外，還有人認(rèn)為鈦、鋯或塑料也是萬能材料。有些工廠不管什么腐蝕問題都用“白鋼”（工廠中對不銹鋼的慣稱）去解決，結(jié)果往往造成浪費。不處在萬能腐蝕材料！不銹鋼有很多種，塑料品種更是五花八門。每種材料都有獨特的物理、化學(xué)和化學(xué)性能。例如18/8鉻-鎳不銹鋼在抗大氣方面比碳鋼優(yōu)越的多（這是其名稱來源），但對還原性酸（鹽酸、稀硫酸）與碳鋼一樣的壞。而對氯離子的應(yīng)力腐蝕破裂則遠(yuǎn)不及碳鋼耐蝕。迷信“萬能材料”，毛病也在不查資料，沒有讀一點有關(guān)材料腐蝕方面的書。(3)不重視大氣、水、蒸餾水等的腐蝕

有些人認(rèn)為只有強(qiáng)酸腐蝕型性強(qiáng)，其實并不盡然。影響腐蝕的因素很復(fù)雜，而且因材而異。以為大氣、水、甚至蒸餾水腐蝕必然輕微，是錯誤的。18/8奧氏體不銹鋼在幾個ppmCl-的水中就可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂，碳鋼在含微量H2S的大氣中也能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。近年來發(fā)展的高強(qiáng)鋼（馬氏體鋼，沉淀硬化鋼，馬氏體時效鋼，屈服強(qiáng)度約）1034MPa）是很有用的材料，但應(yīng)用不久連接發(fā)現(xiàn)在大氣和純水中都能發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。以上情況都曾引起嚴(yán)重事故，如設(shè)備破壞，橋梁塌陷，飛機(jī)失事等。

國內(nèi)有些引進(jìn)工廠因忽略了水的腐蝕，沒有引進(jìn)處理技術(shù)，自己又未脫善解解決，以至水腐蝕成了嚴(yán)重問題。總之，科技工作能“想當(dāng)然”，應(yīng)該科學(xué)的對待。(4)設(shè)計不考慮結(jié)構(gòu)對腐蝕的關(guān)系

有些人在選材前也查數(shù)據(jù)，有時手冊上認(rèn)為腐蝕合格的材料結(jié)果腐蝕嚴(yán)重，這一般并非手冊錯誤，而是腐蝕因素復(fù)雜，考慮欠周到之故。以下將依次討論一些應(yīng)該考慮而未予考慮，以至引起腐蝕的問題。其中，不考慮設(shè)計結(jié)構(gòu)的影響可能為重要原因之一。

大量縫隙存在是主要的設(shè)計缺陷。完全避免固然很難，但應(yīng)盡量減少縫隙，關(guān)鍵部位更應(yīng)設(shè)法避免?？p隙將產(chǎn)生氧濃差電池，其后縫內(nèi)酸化，引起急速腐蝕。當(dāng)外部干后，縫內(nèi)仍存積液體，繼續(xù)腐蝕。如果經(jīng)歷反復(fù)的干、濕變化，那么縫內(nèi)離子（如Cl-）會越來越濃，引起危險的應(yīng)力腐蝕破裂。

以下圖中是幾個避免產(chǎn)生縫隙的例子。也可將縫隙填實，或用加油緩蝕劑的涂料保護(hù)縫面。除縫隙外，還有一些結(jié)構(gòu)缺陷也應(yīng)避免，如不易排液的死角，局部溫度過高或過低的熱點或冷點，引起腐蝕液冷凝的結(jié)構(gòu)等。（5）

不注意電偶腐蝕

一個車間或一臺設(shè)備內(nèi)可能要采用幾種不同材料，選材時不應(yīng)孤立地考慮一臺設(shè)備或者一個部件，而應(yīng)周密地考慮與它接觸或甚至距離較遠(yuǎn)有無它種材料構(gòu)成的部件。不同材料接觸由于二者電位不同將構(gòu)成電池，引起電偶腐蝕。一般二種金屬的電位差較大，則電位低的陽極金屬腐蝕越大。金屬標(biāo)準(zhǔn)電位次序在腐蝕或電化學(xué)書中可查出，在實際環(huán)境中可能有一些差異。例如在海水中測出的電位次序就與標(biāo)準(zhǔn)電位不同。如果鐵和鋅接觸，鋅的加速腐蝕不太大；銅和鋅接觸，則鋅嚴(yán)重腐蝕。此外電極極化性能也有重要影響，如極化大，即使開路電位差大，腐蝕也不大；反之，如極化小，電位差雖不大，也能促進(jìn)陽極腐蝕。

有時陰極也會受到破壞，如中性金屬鉛、錫等受陰極產(chǎn)生的OH-腐蝕；不銹鋼氧化膜由于陰極還原作用，失去保護(hù)性；由于氫在陰極產(chǎn)生，氫原子滲入金屬，則可能產(chǎn)生氫脆。

在電偶腐蝕中要注意面積因素，即陰極和陽極面積比例。如陰極大，陽極小，則陰極電流集中，電流密度大，容易穿孔。如陰、陽極面積接近，或陽極更大，則腐蝕均勻分布在陽極表面，危險不大。

違背上述原則常會造成代價高昂的損失。有一例子可以很好說明這類問題。國內(nèi)有一工廠使用幾百個鋼槽，內(nèi)涂酚醛漆保護(hù)。底部涂層因易被磨損破壞，引起產(chǎn)品污染，為了改進(jìn)這一情況，鋼槽底加襯不銹鋼，頂部和槽壁是鋼，鋼壁和不銹鋼底焊接。為防止腐蝕，鋼壁涂漆直到焊縫下面稍許。開車后僅幾個月槽壁鳩穿了許多小孔。這是因為涂層上存在許多微孔，孔底的鋼與不銹鋼槽底構(gòu)成大陰極小陽極的電偶，以至腐蝕非常快，約達(dá)25mm/年。如果不用這種“改進(jìn)”辦法，槽壁一般可用10~20年。這是弄巧成拙的一例。補救辦法是用涂料將不銹鋼也“保護(hù)”起來，使陰極面積也減少。

還有一種簡單的防止電偶腐蝕的方法，即當(dāng)可能時在不同金屬間加一非金屬絕緣物，例如當(dāng)不銹鋼管和鋁管連結(jié)時，中間加一段塑料管絕緣。（6）不考慮制造加工對腐蝕的影響

制造加工對腐蝕的一項重要影響是在設(shè)備上留下局部應(yīng)力，在適合的環(huán)境中會產(chǎn)生危險的應(yīng)力腐蝕破裂。應(yīng)力來源很多，重要的有：焊接、切割、剪、沖、彎、鉚、熱處理、裝配不適當(dāng)、緊螺栓用力不均等。在設(shè)備運行過程中由于周期性加熱，熱膨脹、振動、回轉(zhuǎn)、載荷等也能引起局部應(yīng)力集中。

防止應(yīng)力腐蝕破裂的一項有效方法，是通過熱處理以消除應(yīng)力。但是對非穩(wěn)定性不銹鋼來說，消除應(yīng)力的退火溫度730~870℃正是它的敏化范圍，所以應(yīng)力消除了，卻又會引起晶間腐蝕，因此需要選用加鈦或鈮的穩(wěn)定化不銹鋼。

焊接不僅產(chǎn)生殘余應(yīng)力，又使焊縫附近達(dá)到敏化溫度（約500~800℃），使奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕。使用穩(wěn)定化鋼或超低碳鋼可得較好效果。另一個辦法是對敏化鋼采用高溫固溶處理，即加熱到1100℃左右，接著水淬。在1100℃下，敏化溫度內(nèi)產(chǎn)生的碳化鉻溶解，得到較均化的合金。市場供應(yīng)的奧氏體18/8不銹鋼多數(shù)處于這種狀態(tài)。但是對于大型設(shè)備固溶淬火很困難。淬火過程也必須注意控制，如果冷卻慢，整個結(jié)構(gòu)都易遭受晶間腐蝕。

如果了解制造加工可能對腐蝕產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并加以妥善處理，可以避免許多重大腐蝕。（7）不考慮環(huán)境對強(qiáng)度的影響

設(shè)計均按照手冊上的材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值進(jìn)行設(shè)計，結(jié)果又許多設(shè)備在遠(yuǎn)低于名義屈服強(qiáng)度下發(fā)生意外的破壞事故。這是因為所有材料都不是理想材料，內(nèi)部存在微缺陷和微裂紋。在腐蝕環(huán)境的作用下，又能促進(jìn)應(yīng)力腐蝕破裂。

近二十年來，由于利用斷裂力學(xué)研究應(yīng)力腐蝕破裂，一項重要成果就是能求出合乎使用的設(shè)計強(qiáng)度值。K的定義是：

K=σ

C為無限大班中裂紋長為1/2。對非極限板，加校正系數(shù)αo

K=ασ

K的單位是kgf/mm2·或kgf·mm-3/2,ksi

。

當(dāng)拉應(yīng)力增至σc（臨界值），K達(dá)到Kc，Kc稱為材料的斷裂韌性，這時裂縫急速失穩(wěn)擴(kuò)散，發(fā)生脆斷。當(dāng)裂縫處于平面應(yīng)變態(tài)時（厚板），這時的Kc稱為平面應(yīng)變斷裂韌性，以K1c表示。

在腐蝕環(huán)境中具有斷裂的材料還有一個重要參數(shù)，稱為“應(yīng)力腐蝕破裂臨界強(qiáng)度因子”（K1scc），即在K1scc以下不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。K1scc低于K1c和名義屈服強(qiáng)度。在利用予裂縫事件進(jìn)行應(yīng)力腐蝕的研究中可以找到一個K值，低于此值時，裂縫延伸速度（dα/dt）等于零（如圖），此值即K1scc，它很有用，可根據(jù)下式算出材料允許的裂縫最大深度α：

α=0.2（K1scc/σy）2

σy=屈服強(qiáng)度

設(shè)計均應(yīng)該每一特定環(huán)境，找出材料的相應(yīng)的K1scc

，同時由無損檢查可找出材料中微裂紋深度，以此來評選安全、適用的材料。過去用名義屈服強(qiáng)度對付一切設(shè)備的設(shè)計，危險性很大，已造成許多意外事故。

設(shè)計工作還應(yīng)考慮的一項強(qiáng)度值是疲勞極限。所謂“疲勞極限”是指鋼和鐵合金當(dāng)承受交變應(yīng)力值低于這一極限時，它講可經(jīng)無限周期而不產(chǎn)生疲勞破裂。對于其他合金，疲勞極限為在一定數(shù)量周期應(yīng)力下不破裂的最大周期應(yīng)力。在環(huán)境影響下，即有腐蝕存在時，疲勞極限不復(fù)存在，只有腐蝕疲勞極限。在腐蝕環(huán)境中工作的部件如果按照正常的疲勞極限來設(shè)計，自然可能過早報廢。過去就曾發(fā)生過多次“意外”事故，包括飛機(jī)失事之類嚴(yán)重事故，設(shè)計人員必須利用腐蝕疲勞極限或應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度極限（臨界強(qiáng)度因子）這類考慮了腐蝕影響的校正值。(8)腐蝕試驗不結(jié)合實際

試驗條件如果不符合實際，就會得出錯誤的結(jié)論。因此應(yīng)盡量重現(xiàn)環(huán)境中一切因素。有些因素對腐蝕影響不大，也可不考慮，但是影響大的因素，即使只有微量，也絕不能忽視。例如微量Cl-和氧一般影響都很大，幾個ppmCl-（加上微量）可以引起18/8鉻鎳不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂。例如速度、溫度、雜質(zhì)、攪拌、焊縫、制造加工狀態(tài)（鍛、鑄等）都應(yīng)于試驗中重現(xiàn)。

有些因素的影響需要通過試驗才能搞清楚，有些因素模擬困難，尚未完全高清，如閉塞腐蝕電池中裂縫尖端微區(qū)的溶液成分，電化學(xué)狀態(tài)，至今仍是需要進(jìn)一步研究的課題。

下面是一個試驗不結(jié)合實際的例子。為輸石油的隔膜泵選一種合成橡膠進(jìn)行試驗，試驗室運轉(zhuǎn)數(shù)月結(jié)果表明良好。拿到汽車上用了幾星期就壞了。原來是油中含硫化合物，試驗中油循環(huán)使用，很快硫消耗光，反應(yīng)就停止了。但是是車上的油始終是新鮮的，因此硫的腐蝕積累增加，引起迅速破壞。

再舉一例，前面曾介紹一個電偶腐蝕引起的失敗的事故，即用不銹鋼槽底和碳鋼壁焊接，槽壁用涂料保護(hù)，引起迅速穿孔。事后那家工廠進(jìn)行了試驗，宣稱試驗結(jié)果證明并不存在嚴(yán)重的電偶腐蝕。但檢查它的試驗方法，卻是用面積相等的碳鋼和不銹鋼試件，將重要的面積因素（大陰極/小陽極）忽略了。用的又是沸騰的試液，據(jù)說目的是加速試驗，但是沸騰卻趕走了溶解的氧，反而降低了腐蝕。所以與實際不符的試驗往往不能說明問題，而且可能會引起錯誤的結(jié)論。(9)不考慮環(huán)境細(xì)節(jié)和可能的變化

環(huán)境中有些看似很小、影響卻大的因素決不能忽略。例如銅對不含氧的稀硫酸腐蝕性很好，如果酸中含飽和氧，腐蝕就會增加很多倍，如果忽略了酸中溶解的微量氧，選材將會產(chǎn)生多么大的錯誤！

而且環(huán)境是可能變化的，一個有經(jīng)驗的選材者應(yīng)盡可能掌握各種有影響的變化情況。例如濃硫酸可用碳鋼作槽和官，耐蝕性尚好，但當(dāng)酸放空后，壁上粘附的酸會吸收大氣中水氣變稀，引起腐蝕。補救方法就是設(shè)備內(nèi)應(yīng)總是充滿濃酸。

開車和停車狀態(tài)與正常運轉(zhuǎn)不同，開始時條件尚未穩(wěn)定，溫度可以能過高或過低，濃度也波動；停車后清洗不徹底，積存有腐蝕性液體等。此外如溫度隨季節(jié)變化，濕度也經(jīng)常變化，這些都應(yīng)予以考慮。

再舉一例：有一濕法磷酸廠，原來生產(chǎn)正常，突然發(fā)現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重了，工藝條件并無變化。經(jīng)檢查，只有原料磷酸鈣來源改變，問題就出在這里。以前的原料含雜質(zhì)CaF2和SiO2。CaF2在酸中產(chǎn)生氫氟酸，但是與SiO2中和：

SiO2+6HF

H2SiF6+2H2O

因此不顯示腐蝕性。新原料中只有CaF2，不含SiO2，產(chǎn)生的氫氟酸保留在液中，因而使設(shè)備腐蝕。這種情況在選材時難以預(yù)料到，但如果理解這些通則，發(fā)生問題后則可較容易查出原因。(10)防腐蝕措施不適當(dāng)

有人以為只要是防腐蝕性方法，用上去就行，不管用得是否適當(dāng)，用多用少。其實不然，防腐措施用的不合理、就不能取得預(yù)期效果、有時還會得到相反的效果。

有工廠為防止水