深入了解材料选择

材料选择是工程设计中主要的腐蚀控制方法。它在有效估算项目成本、施工进度和安全运营方面发挥着作用。材料选择的基本概念包括：

• 材料类型：这涵盖了可以选择的广泛可用材料。
• 材料特性：这涉及检查满足特定应用/用途要求的机械、物理和耐腐蚀性能。
• 材料经济学：这涉及各种材料的拥有、资本、维护和运营成本。

常用材料概述

工业中有许多工程材料。在这里，我们将看看一些最常见的属性。

碳钢

碳钢是指碳含量低于2%的铁基金属家族。碳钢是最常用的材料，因为它们易于制造，成本低，可用性和高强度。碳钢的应用范围很广，从结构部件到高压设备。添加少量铬、钼、钒和铌的碳钢被认为是低合金钢。合金元素在微观结构中形成碳化物，增加了材料在高温下的强度和可靠性，例如在发电厂锅炉中。在零下温度下，碳钢的韧性较低，因此添加了镍以保持韧性。随着镍含量的增加，低温范围增加，特别是对于液化气体应用，以防止液化天然气（LNG）和液化石油气（LPG）设备脆性断裂。

铸铁

铸铁是一种铁基金属，碳含量超过2%。它价格便宜，不需要额外的处理来降低碳含量。但是，它很脆并且焊接性有限。它用于水泵和管道中的非关键部件，具有类似于碳钢的耐腐蚀性。灰口铸铁和球墨铸铁/球墨铸铁是最常见的铸铁类型。

不锈钢 （SS）

不锈钢是一种钢类型，铬含量至少为 11%，与镍、钼和氮结合。不锈钢可靠地用于各种能源、化学和石化行业的腐蚀性环境。不锈钢有几种类型，具体取决于合金含量和微观结构。铁素体不锈钢铁素体不锈钢是最经济的类型，镍含量非常低。它们容易敏化且难以焊接，因此用于未焊接的部件。尽管铁素体不锈钢具有中等的耐腐蚀性，但它们可抵抗氯化物辅助应力腐蚀开裂（SCC）。马氏体不锈钢马氏体不锈钢镍含量低，用途范围与铁素体不锈钢相似。它们具有高强度，并且有许多管道由马氏体不锈钢制成。它们的高硬度使它们更易于用于抗侵蚀。奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是工业中最常用的不锈钢。镍含量较高，具有良好的耐腐蚀性，易于制造。根据环境的腐蚀性，有不同等级的奥氏体不锈钢可供选择。一些较低的合金牌号对氯化物SCC的抵抗力较低。奥氏体不锈钢广泛用于低温应用。双相不锈钢双相不锈钢具有铁素体和奥氏体双重微观结构，具有综合性能。它们具有高强度和非常好的耐腐蚀性，特别是对氯化物辅助的SCC，使其非常适合在海上应用中使用。然而，双相不锈钢继承了铁素体相的较低强度。沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢具有高强度和韧性，包括奥氏体、半奥氏体或马氏体微观结构，具体取决于热处理。尽管它们具有良好的可焊性，但它们的应用有限，例如用于高性能弹簧。

合金

合金结合不同的金属，允许不同的性能。以下是一些最常见的合金及其主要特性.

镍合金

镍合金具有出色的耐腐蚀性，但由于镍含量高，它们价格昂贵，通常与钼等其他合金元素结合使用。有许多类型的镍合金由品牌名称指定，例如哈氏合金，铬镍铁合金，蒙乃尔合金等，这些名称与过期专利有关，但命名遗产仍然存在。镍合金可耐受氯化物辅助的鳞状细胞癌和硫化物辅助的鳞状细胞癌。

铝合金

铝合金具有良好的强度重量比和良好的耐腐蚀性。然而，当它们与铁基金属接触时，它们容易受到电偶腐蚀。由于铝的熔化温度较低，铝合金的应用仅限于低温使用。由于其优异的热性能和延展性保持性，铝合金被用于低温应用，例如液化天然气行业的热交换器。

铜合金

铜合金通常用于海水环境和热交换器。它们对生物淤积（尤其是微淤积）和停滞条件具有很高的抵抗力，可导致局部腐蚀以及与过度流动相关的腐蚀。一些铜合金在含有氨的环境中容易受到SCC的影响。

钛合金

钛合金具有良好的强度重量比和在高氯化物环境中的高耐腐蚀性。然而，它们昂贵且难以制造。非合金钛通常用于工业，比其他钛等级更经济。

陶瓷

由于其脆性 – 尽管它们具有很高的耐腐蚀性 – 陶瓷不用于含压设备。陶瓷用于高温设备和零件，如耐火材料，并用于防止磨损。耐火材料用陶瓷通常由铝、镁和硅的氧化物组合而成。为了耐磨性，陶瓷由碳化物或氮化物组成。

聚合物

聚合物用作热塑性塑料、热固性塑料和弹性体。大多数聚合物都非常耐腐蚀，甚至比许多耐腐蚀合金还要耐腐蚀。然而，聚合物具有低强度、低熔点和有限的抗紫外线性。在腐蚀性高压应用中，聚合物可用于金属表面的耐腐蚀衬里。HDPE，PVC和PTFE是热塑性塑料的例子，但尽管它们属于同一组，但它们具有不同的性能和应用。热固性塑料通常不用作固体材料，而是用作涂层或复合材料基质。弹性体具有独特的机械性能，用于许多加压应用中的密封部件。

复合材料

复合材料是两种或多种材料的组合，以实现两者的性能，从而为特定应用提供最佳特性。工业中最常见的复合材料结合了聚合物基体中的玻璃纤维增强和混凝土基体中的钢增强。纤维提供高强度，基体提供韧性，均匀分布应力。增强纤维可以由玻璃、金属、碳和其他聚合物（如芳纶）制成。E玻璃是一种常用的纤维，还有其他类型的玻璃适用于不同的应用，例如C玻璃具有耐化学性或R-玻璃具有抗疲劳性。热固性聚合物是一种常用的复合基体，易于制造，具有良好的机械和耐腐蚀性能。热塑性聚合物不像热固性聚合物那样常用，由于其高延展性，它倾向于用于可绕线管道。钢筋混凝土是一种重要的结构材料，钢材的腐蚀发生在海水和废水等腐蚀性环境中。涂层、阴极保护和不锈钢的使用用于减轻腐蚀。

材料选择时要考虑的因素

一般来说，材料考虑的主要因素包括但不限于：

• 机械性能
• 腐蚀性能
• 总拥有成本
• 可用性
• 易于制造

对于承重应用，检查机械性能以确保结构完整性。工程材料的机械性能差异很大，取决于微观结构、化学成分和制造工艺。这些品种由ASTM，ISO或JIS等管理机构在国际或当地标准化。基本机械性能包括但不限于：

• 抗张强度
• 冲击能量
• 伸长
• 硬度
• 疲劳
• 断裂韧性
• 爬
• 其他因素取决于具体应用

这些特性通常通过对制造过程中的样品进行破坏性测试获得，结果在材料证书中说明。但是，事先进行专门的机械测试，以避免购买者和制造商之间的纠纷。材料会随着时间推移而通过称为腐蚀的环境诱导反应而降解。环境腐蚀性因环境性质、所选材料和应用而异。必须正确选择材料，以确保在应用生命周期内的可靠性和安全运行。腐蚀可能来自大气、土壤、水、化学品、石油和天然气以及微生物，以及引起不同类型腐蚀的不同腐蚀剂。以减轻腐蚀为目的的材料选择通常使用以下方法：

• 热力学腐蚀图/图表
• 腐蚀模型
• 化学相容性表
• 实验室测试（动电位极化、浸没、电化学阻抗谱、应力腐蚀开裂）
• 技术许可方建议
• 操作反馈

热力学腐蚀图/图表

腐蚀图/图表基于从实验室测试和/或现场性能收集的数据。收集的数据基于实验室测试或现场测试中研究的参数。

腐蚀模型

腐蚀模型用于根据经验公式预测腐蚀速率。这些模型以专有软件程序的形式使用，或在输入参数的Excel表格中使用。有一氧化碳的模型2腐蚀、氧腐蚀和裂纹扩展速度。模型的准确性可能会有所不同，因为并非所有腐蚀参数都可以包含在模型中，这些参数是根据实验获得的数据凭经验生成的。

化学相容性表

化学相容性表或图表是定性工具，用于确定环境条件与所选应用材料之间的相容性。在某些情况下，需要进行额外的调查和测试，以更好地确定所选材料的相容性。

实验室检测

对于需要分析数据来评估所选材料在模拟环境条件下的性能的情况，将进行实验室测试。环境条件、实验室设置和实验条件安排在标准化的实验室环境中，以确保获得的数据代表用于有效和合适材料选择的参数。

技术许可方建议

一些加工技术是专有的，专有技术安排归许可人所有。许可方选择的材料通常代表保修目的的最低要求。

运营反馈

来自实际经验的操作反馈很有价值，因为它们提供了实时的、基于现场的数据。历史数据收集（操作参数更改、材料证书、焊接工艺规范 （WPS）/工艺资格记录 （PQR）、检验报告、故障分析报告等）对于保证选择合适的材料至关重要。

评估材料选择决策的成本

成本是材料选择的主要考虑因素，资本支出 （CAPEX） 和运营支出 （OPEX） 的平衡至关重要。材料和腐蚀工程师应选择满足预算和成本以及性能考虑的材料。资本支出的意义不仅在于选择的散装材料，还在于制造工艺和产品形式。OPEX的影响在于腐蚀材料的修复和更换，以及腐蚀控制，腐蚀监测和缓蚀剂注入。使用碳钢可能具有低资本支出，但运营成本高，并且使用不锈钢以相反的方式影响两者。材料可用性也起着至关重要的作用，特别是在项目进度方面。例如，使用专有材料可能需要比平时更长的交货时间，因为与供应商、低数量或库存相关的限制可能需要最低数量订单，在这种情况下可能会增加成本。如果不及早计划，难以制造的材料可能会对项目进度产生重大影响，尤其是在大量使用时。例如，需要焊后热处理 （PWHT） 的材料可能需要石油和天然气设施中的数千个焊件，以及数千个工时来满足 PWHT 要求。难以焊接的材料可能会减慢焊接速度并提高维修率。

结论

材料选择涉及复杂的程序，需要了解故障敏感性和腐蚀控制方法，以及不同工程学科之间的合作。