耐氯離子換熱器選材

1、油田污水換熱器選材參考目錄三、選材參考因素2熱導率2抗腐蝕性能4腐蝕極其特點4腐蝕分類4腐蝕評價方法6幾種合金的耐C腐蝕性能7四、結論17五、原材料參考價格18重點內(nèi)容：1、各種金屬及合金的熱導率數(shù)據(jù)。2、腐蝕的基礎知識。3、耐氯離子腐蝕性能優(yōu)異的金屬及合金，并重點介紹了雙相鋼2205、2507和銅銀合金U10、D30的耐蝕性能。結論：1、BIO、B30應用于此項目需注意控制水體含沙量和流速，以防沖刷腐蝕，B10的設計沖刷流速不得超過L5m/s；B10的設計沖刷流速不得超過3ni/So2、雙相鋼的耐蝕性能優(yōu)于銅鍥合金。2205在此項目中，當冷凝器溫度超過30c時，有發(fā)生縫隙腐蝕的風險，需破壞產(chǎn)

2、生晶間縫隙的條件。2507完全可以滿足此項目的耐蝕性要求。選材參考因素因項hl主要是為污水源熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器選擇合適的材料，因此主要的參考因素為材質(zhì)的傳熱性能、耐腐蝕能力和成本，由工藝參數(shù)里分離出口和1500處理機出口的水質(zhì)報告我們可以得出如下信息：1、 蒸發(fā)器的工作溫度為9.636,冷凝器的工作溫度為3646,基本在低溫范圍運行；2、 回注污水和摻輸水的水體類型為碳酸氫鈉型，水體的PH值為6.8左右，屬于中性水體；3、 水體中CT含量達到1000-U00mg/L,其他腐蝕性離子，如SOJ濃度較小，蒸發(fā)器和冷凝器主要需應對較高濃度C廠的腐蝕。依據(jù)這些信息，我們首先分析各種換熱器材料的傳熱性

3、能。熱導率材料的熱導率是表征材料傳熱性能的重要指標，是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1度（K,C）,在1秒內(nèi)，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米度（W/niK此處的K可用C代替）。熱導率是表征材料傳熱性能好壞的標志，熱導率越大，材料的導熱性能越好。熱導率與材料的組成結構、密度、含水率、溫度等因素有關。非晶體結構、密度較低的材料，熱導率較小。材料的含水率、溫度較低時，熱導率較小。對換熱器而言，選用熱導率大的材料能顯著減小換熱設備的體積和用量，節(jié)約材料成本和操作費用。大部分換熱器的材料均采用金屈和合金，因為金屬的熱導率較高，同時金屬材料擁有優(yōu)異的力學性能，能適應各種惡劣環(huán)

4、境的需要。下表列出幾種換熱器常用的金屬和合金材料的熱導率，以供參考。表4：換熱器常用金屬和合金材料熱導率化學式材料名稱導熱系數(shù)合金成分材料名稱導熱系數(shù)W/mKW/mKAg銀42971Cu-8Za-lSn錫黃銅111Cu銅40176Cu-22Zii-2Al鋁黃銅100Au金31770Cu-30Zii黃銅99A1鋁23785Cu-15Zii紅黃銅159Mg鎂148lCr-0.5Mo銘鋁合金42Ni銀902.25Cr-0.5Mo銘鋁合金38Fe鐵805Cr-0.5Mo鋁鋁合金35Sn錫6712Cr-lMo鋁鋁合金28Pb鉛34.890Cu-10Ni銅銀合金71Ti鈦14.6370Cu-30Ni銅銀合

5、金29合金成分材料名稱導熱系數(shù)17Cr-12Ni-2Mo不銹鋼31616W/mK18Cr-8Ni不銹鋼30416碳鋼45英科耐爾19聚丙烯0.1-0.22蒙乃爾26出處：http:從表4可以看出，常用材料中銀的熱導率最高，僅次于銀的為金、銅和鋁。碳鋼的熱導率較低，但取材方便，因此得到了廣泛的應用。另外，很多換熱器采用不銹鋼和合金材料制備，除含銅量較高的合金熱導率較高之外，不銹鋼和合金材料的熱導率大部分在15-50W/mK,但不銹鋼和合金在力學性能和防腐蝕性能方面比純金屬擁有無法比擬的優(yōu)勢，因此不銹鋼和合金在換熱器的應用中也有非常廣泛的應用。此項目因為在含有氯離子腐蝕的環(huán)境中，材料的耐蝕性能顯得

6、尤其重要。目標合金的熱導率在1080W/mK,相比系統(tǒng)的熱阻，合金材料的熱導率不構成關鍵的影響因素，下面以傳熱的基本公式加以說明。系統(tǒng)傳熱的計算公式為：11617711R+R2ka入a2式中，a?管程流體傳熱系數(shù)；a2：殼程流體傳熱系數(shù)；管壁熱阻；Ri：管程流體污垢熱阻；R3：殼程流體污垢熱阻；管殼程流體分別為回注污水和氟利昂，相比于回注污水的污垢熱阻、管殼程流體的傳熱阻力，（水在20的熱導率0.599W/mK,R22在2也液態(tài)的熱導率為0.0956W/111K）管壁熱導率在10-80W/mK時產(chǎn)生的管壁熱阻，對總傳熱系數(shù)K值影響有限。抗腐蝕性能腐蝕極其特點金屬腐蝕是指金屬材料由于受到周圍介質(zhì)

7、的作用而發(fā)生狀態(tài)的變化，轉(zhuǎn)變成新相，從而遭受破壞。金屬的腐蝕是一個熱力學自發(fā)的過程，而且最為普遍，因此金屬腐蝕也就成為腐蝕科學研究的主要對象。金屬材質(zhì)的換熱器，同樣存在應對腐蝕的問題，金屬換熱器的腐蝕不僅會影響換熱器的傳熱效果，更嚴重的會引起巨大的經(jīng)濟損失和安全事故。因此選擇在工作環(huán)境中具有耐蝕性高的材質(zhì)對換熱器來講尤為重要。要給換熱器選擇合適的材質(zhì)以對抗腐蝕，我們必須對金屬的腐蝕有深入的了解。金屬腐蝕指金屬在一定的環(huán)境條件下發(fā)生化學反應，演變?yōu)榻饘俚幕蠎B(tài)的過程。該過程由三個子過程構成：(1)腐蝕介質(zhì)的遷移過程，該過程通過對流作用和擴散作用完成。(2)相界面上進行化學反應，產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物的過程

8、。(3)腐蝕產(chǎn)物的遷移或積累，即腐蝕產(chǎn)物從相界遷移到介質(zhì)或在金屬表面上形成覆蓋膜。此外，腐蝕過程還受離解、水解、吸附和溶劑化作用等其他過程的影響。腐蝕過程一般發(fā)生在界面上，所以它具有兩個特點：(1)因腐蝕造成的破壞一般先從金屬表面開始引發(fā)，然后伴隨著腐蝕加劇，腐蝕破壞逐漸蔓延到金屬材料的內(nèi)部，有可能造成金屬物理化學性質(zhì)的改變和金屬組成的改變。(2)因腐蝕從表面開始，所以金屈的表面狀態(tài)對腐蝕的進行有顯著的影響。例如，金屬表面上的氧化膜或其他鈍化膜以及涂層等都會改變金屬表面狀態(tài)，故在腐蝕過程中，這一保護層的化學組分、形貌結構狀態(tài)以及孔徑、孔率等因素對腐蝕的進行影響很大。腐蝕分類金屬腐蝕的現(xiàn)象和機理

9、比較復雜，因此金屬腐蝕有很多分類方法，按照腐蝕環(huán)境分，可分為化學介質(zhì)腐蝕、大氣腐蝕、海水腐蝕和土壤腐蝕等。按照腐蝕溫度，將腐蝕分為常溫腐蝕和高溫腐蝕。根據(jù)金屬被破壞的特征，可把腐蝕分為全面腐蝕和局部腐蝕。最常用的就是按照腐蝕過程分，將腐蝕分為物理腐蝕、化學腐蝕和電化學腐蝕。物理腐蝕是指金屈由于單純的物理溶解作用所引起的破壞。許多金屈在高溫熔鹽、溶堿及液態(tài)金屬中可發(fā)生物理腐蝕。例如用來盛放熔融鋅的鋼容器，由于鐵被液態(tài)鋅所溶解，故鋼容器逐漸變薄了?；瘜W腐蝕是指金屬表面與非電解質(zhì)直接發(fā)生鈍化學作用而引起的破壞。其反應歷程的特點為在一定條件下，非電解質(zhì)中的氧化劑直接與金屬表面的原子互相作用而形成的腐蝕

10、產(chǎn)物，即氧化還原反應是在反應粒子互相作用的瞬間與碰撞的那一個反應點上完成的。這樣，在化學腐蝕過程中，電子傳遞是在金屬與氧化劑之間直接進行的，因而沒有電流產(chǎn)生。電化學腐蝕是指金屬表面與離子導電的介質(zhì)因發(fā)生電化學作用而產(chǎn)生的破壞。任何一種按電化學機理進行的腐蝕反應至少包含一個陽極反應和一個陰極反應，并以流過金屬內(nèi)部的電子流和介質(zhì)中的離子流聯(lián)系在一起。陽極反應是金屬離子從金屬轉(zhuǎn)移到介質(zhì)中和放出電子的過程，即陽極氧化過程。相對應的陰極反應便是介質(zhì)中氧化劑組分吸收來自陽極的電子的還原過程。與化學腐蝕不同，電化學腐蝕的特點在于它的腐蝕歷程可分為兩個相對獨立并且可同時進行的過程電化學腐蝕比較常見，金屬在電解

11、質(zhì)溶液中的腐蝕種類按其腐蝕形態(tài)分，可以分為均勻腐蝕（或叫全表面腐蝕）和局部腐蝕兩大類，局部腐蝕乂可分為如下幾種：一、孔狀腐蝕。在金屬表面的極為局部的區(qū)域被腐蝕成小孔，孔蝕直徑可大可小，但大多數(shù)情況下都比較小。有些蝕孔孤立存在，有些緊湊在一起。在孔蝕上部往往都有腐蝕產(chǎn)物存留。一般孔蝕直徑小于或等于孔蝕深度。嚴重情況下可使板材穿通?？谞罡g也叫點狀腐蝕。二、晶間腐蝕。金屬腐蝕沿著晶界進行，使晶粒之間失去結合力，金屬大為下降，甚至喪失。這是一種危害性很大的腐蝕類型，因為產(chǎn)生了晶間腐蝕后，用肉眼在表面往往不易覺察到。三、剝層腐蝕。金屬在腐蝕介質(zhì)中腐蝕沿著與表面平行的界面進行。由于腐蝕產(chǎn)物的體積大于原金

12、屬體積而使晶粒翹起、起層或成片狀從金屬衣而脫落。這類腐蝕一般發(fā)生在型材或板材表面。四、選擇腐蝕。多元合金在腐蝕介質(zhì)中較活潑的組分優(yōu)先溶解的一種腐蝕類型，如黃銅脫鋅等。五、縫隙腐蝕。金屬在腐蝕性介質(zhì)中起表面或因鉀接、焊接、螺紋連接、與非金屬連接，或因表面落有灰塵、砂粒等固體物質(zhì)時，由于接觸面間的縫隙內(nèi)存在電解質(zhì)溶液而產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象。六、電偶腐蝕。在電解質(zhì)溶液中，當兩種金屬或合金互相接觸時，使電位較負的金屈腐蝕速度較未接觸另一電位較正的金屬時腐蝕速度加快的一類腐蝕。七、應力腐蝕。金屬（一般為高強度合金）在拉應力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，使金屬材料發(fā)生腐蝕性破裂。八、腐蝕疲勞。金屬材料在交變應力和腐蝕介

13、質(zhì)共同作用下的一種腐蝕。另外，還有像沖刷腐蝕，空泡腐蝕，絲狀腐蝕，磨蝕等。腐蝕評價方法測試金屬和合金耐氯離子腐蝕的方法主要有失重法、觀察法和電化學方法。失重法是評價材料耐蝕性能最基本、最準確、最可靠的方法，通過比較材料在腐蝕前后重量的變化，計算腐蝕速率。表觀觀察法乂可分為宏觀觀察和顯微觀察。宏觀觀察主要是通過肉眼對材料腐蝕前后的形貌做直觀的比較分析，并根據(jù)腐蝕產(chǎn)物在材料表面的形態(tài)、分布以及致密性和附著性做出判斷，顯微觀察主要是借助掃描電鏡SEM、XRD、電子探針等實驗設備對腐蝕產(chǎn)物的微觀結構和相成分做進一步分析，從而獲得腐蝕發(fā)生的微觀特征并對腐蝕動力學進行分析。電化學測試法是一種能夠迅速、準確

14、的利用電化學方法對材料腐蝕特性做出評價的分析測試方法。從本質(zhì)上講金屬的解蝕過程大多數(shù)為電化學過程，因此電化學測試在金屬材料腐蝕行為研究中的應用較為廣泛。極化曲線現(xiàn)在已成為評價金屬耐蝕性的重要工具。圖12鈍態(tài)金屬的陰極極化曲線與陽極極化曲線13為FigJ.2Cathodicpolarizationcurveandanodicpolarizationcurveofpassivemetals在極化曲線測量中，對于鈍態(tài)金屬通常采用控制電位的方法，測量不同極化值時外測電流密度的穩(wěn)定值，從而獲得穩(wěn)態(tài)的EI曲線，即極化曲線。通過極化曲線，我們可以獲得腐蝕過程中有關電極陽極反應和陰極反應的Tafel斜率、電極

15、表面去極化劑的極限擴散電流密度等動力學參數(shù)以及電極反應的自腐蝕電位等熱力學參數(shù)。圖L2為鈍態(tài)金屬的極化曲線，對于不繡鋼而言，由于其一般是在鈍化狀態(tài)下使用，因此在通過極化曲線去評價其耐蝕性能時，通常會比較擊破電位Ept和維鈍電流Ip的大小，擊破電位越高，維鈍電流越小，其耐蝕性越好在評價不繡鋼的耐蝕性能時經(jīng)常還會用到另一個電化學參數(shù)，保護電位Ep。保護電位Ep是通過循環(huán)極化曲線測量而獲得的，用來表征不繡鋼在發(fā)生點蝕后的再鈍化能力。循環(huán)極化曲線測量一般是在動電位掃描過程中，待掃描電位超過點蝕電位Er并且電流密度達到某一設定值后，電位開始逆向掃描，從而獲得兩條動電位極化曲線，即循環(huán)極化曲線。在順向掃描

16、時，隨著電位的升高，在達到不銹鋼的點蝕電位Ep1t后，不銹鋼表面開始發(fā)生點蝕，這時開始逆向掃描，隨著電位降低，電位降至點蝕電位Ept后，孔內(nèi)金屬應該會發(fā)生再鈍化，并且由于點蝕形成后,點蝕坑內(nèi)溶液的成分發(fā)生變化，相應的點蝕電位Ept要比原來的點蝕電位Ept低。這樣，逆向掃描曲線與順向掃描曲線會相交于一點，并形成一個封閉的滯后環(huán)，我們把這一點對應的電位值叫做點蝕的保護電位。在相同條件下評價不同鈍態(tài)金屬的耐蝕性時，保護電位越高，其再純化能力越高，腐蝕抗力越大。幾種合金的耐C腐蝕性能眾多研究者的的實踐研究表明，氯離子的對金屬和金屬合金的腐蝕主要是點狀腐蝕、縫隙腐蝕，銅和銅合金還存在比較嚴重的沖刷腐蝕。

17、現(xiàn)階段耐氯離子腐蝕較好的金屬及合金有哈氏合金(Hastelloyalloy),英科耐爾(InconelAlloy)因科洛伊合金(IncoloyAlloy)蒙乃爾合金(MonelAlloy)、超級不銹鋼(如254SM。、904L等)、各類雙相不銹鋼(如2205、2507等)銅銀合金(B10、B30)等。經(jīng)查詢金屬腐蝕手冊、腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊和一些相關的論文、合金提供商資料，對各類金屬耐氯離子腐蝕的性能的定性描述，統(tǒng)計如下：表5：合金氯離子腐蝕性能合金材料耐氯離子腐蝕性能Hastelloy適用于各種含有氧化和還原性介質(zhì)的化學流程工業(yè)，該合金對高濃度的氯化鹽溶液具有顯著的耐腐蝕性Inconel在氯化

18、物介質(zhì)中具有出色的抗點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和侵蝕的性能。具有很好的耐無機酸腐蝕性，如硝酸、磷酸、硫酸、鹽酸等，在高溫時耐蝕性能優(yōu)異，在高濃度氯氣腐蝕。Incoloy在氧化和還原環(huán)境下都具有抗酸和堿金屬腐蝕性能，高鍥成份使合金具有有效的抗應力腐蝕開裂性。在各種介質(zhì)中的耐腐蝕性都很好，如硫酸、磷酸、硝酸和有機酸，堿金屬如氫氧化鈉、氫氧化鉀和鹽酸溶液。Monel一種銅銀合金耐蝕性優(yōu)良，在各種媒介中具有良好的耐腐蝕性，在咸水或海水具有優(yōu)良的抗孔蝕、應力腐蝕能力，尤其是耐氫氟酸和抗鹽酸。超級不銹鋼904L高銀含量，降低了在麻坑和縫隙處的腐蝕速度,在氯化物溶液，濃縮的氫氧化物溶液和富硫化氫的環(huán)境中，具有

19、很高的抗應力腐蝕破裂能力。雙相鋼2205對點腐蝕及隙腐蝕具有很強的抵抗能力，不銹鋼的雙相微觀結構有助于提高不銹鋼的抗應力腐蝕龜裂能力。用于煉油，化肥，造紙，石油，化工等耐海水耐高溫濃硝酸等的熱交換器和冷淋器。雙相鋼2507極好的抗點腐蝕,縫隙腐蝕和均勻腐蝕的能力，應用于石油和天然氣工業(yè)：海上石破天油平臺(熱交換器管,水處理和供水系統(tǒng)，消防系統(tǒng)，噴水系統(tǒng)，穩(wěn)水系統(tǒng):石油化工設備;脫鹽(淡化)設備等銅鍥合金強度高，抗腐蝕特別是抗流動海水腐蝕的能力可明顯提高由表5可知，以上各類合金均具有優(yōu)良的耐氯離子腐蝕能力，但各合金應用環(huán)境更有針對性。此項目中，氯離子的濃度低于llOOmg/L低于海水氯離子濃度的

20、十分之一，而銅鍥合金和雙相不銹鋼廣泛應用于海水換熱器和水處理的工藝中,因此初步判斷銅銀合金和雙相不銹鋼也適用于此項目。而哈氏合金(Hastelloyalloy)x英科耐爾(InconelAlloy)、因科洛伊合金(IncoloyAlloy)、蒙乃爾合金(MonelAlloy)超級不銹鋼(如254SMo、904L等)、雖然具有優(yōu)異的耐蝕能力，但是其高昂的價格，阻礙了他們在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用，在此項目中，依然難以承受這些類合金的價格，因此我們將目光定位在雙相不銹鋼2205、2507以及銅銀合金B(yǎng)IO、B30o因為氯離子腐蝕原因的復雜性，我們無法從各標準和防腐手冊中查詢到與此項目相關的腐蝕數(shù)據(jù)。最

21、新版的工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范GB50050-2007也明確表示，許多著作和研究都對氯離子的腐蝕機理作了定性分析，但是要從定量分析確定氯離子指標，目前還是不可能的，因為牽涉的因素條件太多。因此本報告主要參照一些類似的研究成果，以為此項目的選材提供參考。通過多方查閱，本報告搜集了2205、2507、BIO、B30在30C,濃度為3.5%的NaCl溶液中極化曲線，通過比較各合金的點蝕電位，確定在同濃度的氯離子環(huán)境下，四種合金的耐氯離子腐蝕能力。點蝕電位越高，耐蝕性越好。-0.0-.一1E*121E-101ETIE-61EY0.011i/2205,B30B10o除了比較四種材料的耐蝕性能外，我們還

22、需要盡可能的了解四種合金的具體腐蝕數(shù)據(jù)用來參考。圖3常用不銹鋼點腐蝕與溫度及氯離子濃度的關系圖4常用不銹鋼縫隙腐蝕與溫度及氯離子濃度的關系（膜法海水淡化系統(tǒng)材質(zhì)選擇研究范曉鵬）因為沒有類似條件下的數(shù)據(jù)，我們查找了一些其他的數(shù)據(jù)。先了解范曉鵬對各種不銹鋼在海水中的應用研究。從以下圖3、圖4顯示在不同C1一濃度時，各種不銹鋼產(chǎn)生點蝕和縫隙腐蝕的發(fā)生溫度。從圖中我們可以看出在相同溫度下,2507比2205的耐蝕性強，能夠承受的氯離子濃度更高。在C1-濃度為llOOmg/1時,2205在100內(nèi)沒有點蝕的風險，但卻有產(chǎn)生縫隙腐蝕的風險，在此濃度下，2205的縫隙腐蝕溫度約為32C；當C1一濃度為U00

23、n】g/l時，2507在100C均不會發(fā)生點蝕和縫隙腐蝕。此外，王文明曾研究了氯離子濃度25250g/l,160條件下2205和2507的耐腐蝕性能，相關的實驗條件和結果如下：表I試驗條件及參數(shù)試驗H2s分壓CO2分壓C溫度流速pH試驗時間試驗材料編號MPaMPag/LCm/sfih122.66J2522051002507(UN33275O-12。16D33.5168期250G3;*利駕星墨C質(zhì)量濃度/g【T圖2C質(zhì)量濃度對雙相鋼局部腐蝕速率的影響(C1_濃度對雙相鋼和鍥基合金腐蝕速率的影響.王文明)我們知道，溫度和硫離子對材料的耐腐蝕性能有極大的影響，王文明設置的實驗條件可以說極其苛刻，H2s和CO2的分壓都很高，而且溫度在160C,在氯離子濃度25g/l時，2205的動態(tài)均勻腐蝕速率為0.0635mm/ao但此實驗也進一步證明了2507的耐腐蝕能力比2205高，且2205在有潛在利用的可能。楊貴榮研究了2205雙相不銹鋼在不同Cr含量的飽和H2S/CO2溶液中腐蝕速率結果表明：隨著溫度與CT濃度的變化，腐蝕速率發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點在CT濃度為(57100)乂10一6時，pH=4時，C為170X10、，溫度50時的腐蝕速率最大，pH=6時，C為170X10一6,溫度80C時的腐蝕速率最大，其最大腐蝕速率不超過0.