1998年1月 PETRO 2CH E M I CAL EQU IP M EN T Jan. 1998
爆破片常用材料的性能及特点
大连理工大学(大连116012) 讲师由宏新 工程师徐晓惠 教授丁信伟
摘要 介绍爆破片常用材料, 如纯铝、纯铜、纯镍、不锈钢、镍基合金和塑料膜的成分和特点, 以及它们的耐蚀性能、关键词 爆破片 耐蚀性 蠕变 材料分类号 TQ 05013
Perfor mance and Character istic Used for Bursti ng D isc
L ecturer Y ou H x iaohu i P rofesso r D ing X inw ei
(of T echno logy , D alian 116012)
he on and app licati on characteristics , co rro si on 2risisting and creep 2risisting
perfo r m ance , p roperties stablity are introduced fo r the m aterials that are often emp loyed to m ake bursting disc . T he m aterials include alum inium , copper nickel , stainless steels , nickel base alloys and p lastic fil m .
Key W ords : bursting disc , co rro si on 2risisting perfo r m ance , creep , m aterial 爆破片作为保证压力设备与管道安全的关键部件, 其安全性和可靠性对防止恶性工业灾害的发生起着十分重要的作用。由于装设爆破片的化工容器及设备往往在高温、高压下长期连续工作, 且压力与温度经常波动, 爆破片所接触的介质与环境也多具有腐蚀性, 因此, 不仅要求爆破片具有合理的结构, 准确的参数及较高的抗疲劳能力等性能, 而且要求用作爆破片的材料应具有良好的耐腐蚀、抗高温蠕变、长时间的组织稳定以及机加工性能。就目前选用的爆破片材料来看, 既有纯金属和合金, 又有非金属, 其品种和牌号繁多, 因此, 爆破片的设计者及使用者对这些材料的性能并非都很了解, 以致在选用爆破片材料时往往具有较大的盲目性。由此可见, 对爆破片常用材料的有关性能进行分析, 从而明确各种材料的使用条件及使用特点, 为设计和使用人员提供参考, 并加强爆破片用材的管理, 就显得尤为重要。1 铝
(以下简称GB 567—89) 和GB 150—89件》
(以下简称GB 150—89) , 都《钢制压力容器》
规定铝制爆破片的最高适用温度为100℃, GB 150—89同时规定其材料牌号为L 2、L 3
和L 4。它们均为工业纯铝, 其含铝量(W %)
分别为9916、9915和9913以上, 其中所含杂质主要为Fe 、杂质Fe 和Si 的Si 及Cu 等元素。
作用虽使纯铝的强度略有提高, 但塑性变差, 因此在变形时易于开裂, 耐蚀性也降低。
了解铝的耐蚀特点对铝制爆破片的安全使用及管理具有重要意义。纯铝化学性质很活泼, 当标准电极电位为-1167V 时, 在空气中易形成致密的A l 2O 3薄膜。经钝化的纯铝在大气、水及pH 为415～815的溶液和其它氧化环境中, 具有良好的耐蚀性。但在碱中并不耐蚀且会发生全面腐蚀。在稀酸中呈点蚀。在含F —和C l —等阴离子的中性盐溶液
2+中, 易产生点蚀。当溶液中含有Fe 2+、N i 及
Cu
2+
等电位较正的金属离子时, 则会加速铝铝是廉价金属, 其耐蚀性主要依靠其表
的腐蚀, 特别是加速了点蚀。
《拱形金属爆破片技术条GB 567—89
第1期 由宏新等:爆破片常用材料的性能及特点・11・
纯镍耐还原性酸的腐蚀能力不佳, 特别是在含有氧及氧化剂的情况下会加速其腐蚀。在
2+
还原性酸中, 若含有Fe 3+、Cu 等氧化性离子也将加速其腐蚀。纯镍不耐硫化物腐蚀, 且在耐氧化性酸和抗高温氧化性能方面存在着较严重的缺点。
纯镍的力学性能较低, 接近于低碳钢的力学性能, 高温力学性能也较低, 特别是当其低于400℃时即有蠕变现象发生。表1列出了不同状态下的N 6在低于400值〔2〕。由表中数据可见, 分别在320, 发生蠕—规定的纯镍使用温度(400℃) 退火状态的纯镍在400℃条件下, 短时抗拉强度在350M Pa 左右, 而蠕变极限远低于该数值。爆破片的工作特性确定了膜片在设备工作压力下其应力水平很高, 蠕变可导致材料在应力较小的情况下产生塑性变形, 最终变形失控使材料破裂。爆破片若发生蠕变, 将导致爆破片在低于设定压力下破坏, 使爆破片的工作特性受到严重影响, 对此应予以足够的重视。
表1 N 6在不同状态下的蠕变极限
材料及状态
N 6退火
N i (W %) =991N 6冷拔40%N i (W %) =991N 6退火(W %) =01温度 ℃
370370
3
1402
182315
—
105
Ρ1 104
12863150—89和GB 567—89都未对用于
爆破片的不锈钢牌号作具体规定, 仅规定其最高使用温度为400℃。爆破片常用不锈钢牌号有:1C r 19N i 9(304) 、00C r 19N i 11(304L ) 、0C r 17N i 12M o 2(316) 、00C r 17N i 14M o 2(316L ) 、1C r 18N i 9T i (321) 及1C r 18N i 11N b (347) 等。表2对上述不锈钢材料耐蚀特点及室温下对不同介质的耐腐蚀能力进行了比较。表3是上述几种材料在不同介质中抗高温氧化性能的比较。由上述比较可见, 铬镍量较高且含钼的316L 比304不锈钢具有更好的抗点蚀和抗化学腐蚀能力; 316L 由于含碳量更低, 因此抗晶间腐蚀性能更好。
表2 几种不锈钢材料的耐蚀特点及室温下对不同介质的耐蚀能力
缝隙和牌号g g b b m 晶间m b g b b 应力s m m m n 冲刷m m g g s 普通水
b b b b b 工业g g b b g 中性或b b b b b 碱
b b b b b 海水或大多数盐酸或大多数m m b g m m m b b m s s b b s b b b b b 304304L 316316L 321 注:b ——好, g ——中等～好, m ——中等, n ——差, s ——差～中等。
表3 几种不锈钢材料在不同介质中的抗高温氧化性能
牌号
304
304L 316316L 321空气
m m b m m 蒸汽
m m b b m CO 2m m b b m CO g g g g g H 2S g g b b g SO 2g g b b g N H 3b b b b b 卤素
g g b b g 注:b ——好, g ——中等～好, m ——中等。
1828型不锈钢具有较高的高温强度, 作为耐热钢, 使用温度一般不超过600℃〔3〕, 但
作为爆破片用的耐蚀钢, 其使用温度还需考
虑组织稳定性及组织变化对材料性能的影
1998年1月 PETRO 2CH E M I CAL EQU IP M EN T Jan. 1998
强化传热性能的火用经济指标评价
重庆大学(重庆630044) 讲师吴双应 副教授李友荣
摘要 在对管内受迫对流换热过程进行火用经济分析的基础上, 提出了一项评价管内强化传热性能的火用经济指标——强化传热性能费用因子Ρ。该指标不仅反映了采用强化传热措施后传热能力的改善, 。
关键词 强化传热 火用经济分析 性能评价 分类号 TQ 05011或20%冷拔并经应力消除处理后, 在399发生蠕变〔6〕, 其值均低于GB 567—89430℃。6 塑料膜
开缝和特殊腐蚀情况下用塑料膜来实现爆破片的密封和防止介质腐蚀。常用塑料膜的性能见表6。对爆破片使用的塑料膜, 除要
低密度聚乙烯高密度聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚四氟乙烯聚全氟乙丙烯
-70～60-70～70-14～120
-40～60-200～260-260～204
, 还需具备较好的抗老化性、
。聚乙烯、聚丙烯及聚氯乙烯由于难以满足这些性能要求, 所以, 较少应用于爆破片上, 只在特殊情况下应用。爆破片中常用的塑料膜有聚四氟乙烯和聚全氟乙丙烯, 在GB 150—89中规定, 使用这两种保护膜的爆破片, 最高使用温度分别为260℃和200℃。
表6 常用塑料膜使用特点
{{{ 对非氧化酸、稀硝酸、碱和盐耐蚀性好, 但不耐浓硫酸、浓硝酸和其他强氧化剂腐蚀; 对有机溶剂, 常温下耐蚀性良好; 耐老化性能较差, 特别是热氧化作用使其性能变差
耐蚀性和聚乙烯相似, 且较优, 耐光性差且易老化
耐酸、碱、盐、气体及水等的腐蚀, 浓硝酸, 发烟硫酸, 醋酐、酮类、醚类、卤代烃类及芳胺等对它有腐蚀作用, 热稳定性能差, 受光、热及氧作用易老化
除熔融金属锂、钾、钠、C lF 3、高温O F 3及高流速液氟外, 可耐所有化学介质, 包括浓HNO 3和王水的腐蚀; 具有优异的耐热性、高度的化学稳定性及非常好的耐大气老化性
耐蚀性极好, 与聚四氟乙烯相似, 抗蠕变性在室温下比聚四氟乙烯好, 但在高温下不及聚四氟乙烯。突出优点是加工性能较聚四氟乙烯好
聚四氟乙烯使用温度较高, 但在高温下
承受应力的作用会产生变形, 温度越高变形越大。其蠕变随结晶度而异, 结晶度在55%～80%时蠕变量不大, 结晶度低于55%或高于80%则蠕变量大增。蠕变的结果使塑料膜在
据设备运行的工作条件合理选用爆破片材料,
才可能设计制造出满足生产需要的爆破片。
参 考 文 献
1 谭树松1有色金属材料学1北京:冶金工业出版社,
1993122～28
2 重有色金属材料加工手册编写组1重有色金属材料加工手册(第一分册) 1北京:冶金工业出版社, 1979110～4, 306～313
3 朱日彰, 卢亚轩1耐热钢和高温合金1北京:化学工业出版社, 19961119～122
4 肖纪美1不锈钢的金属学问题1北京:冶金工业出版社,
19831216～2305 〔美〕田家凯, 安塞尔G S 1合金及显微结构设计1北京:
冶金工业出版社, 19851228～229
6 陆世英, 康喜范1镍基及铁镍基耐蚀合金1北京:化学工业出版社, 1989138～46
(收稿日期:1997204227) (王编)
孔、缝处变形而被割破, 于是丧失其保护和密封作用, 爆破片因此而失效。这里要指出, 就室温下的抗蠕变性能而言, 聚全氟乙丙烯比聚四氟乙烯要好, 但在高温下却不及聚四氟乙烯。7 结语
爆破片是保证带压设备安全运行的重要部件, 只有全面地了解各种材料的性能, 从而根
1998年第27卷 ・ 石 油 化 工 设 备 10・
面生成的薄而致密的氧化膜, 对厚度很薄的
爆破片来说, 保护铝表面不受腐蚀, 有其十分重要的意义。在某些情况下铝是十分容易腐蚀的, 如将铝制爆破片直接(或靠近) 放置于新制备的混凝土表面上, 由于砂浆呈碱性, 从地面蒸发的水蒸汽冷凝后也呈碱性, 故爆破片就会被腐蚀; 再如铝制爆破片一般用碳钢或不锈钢夹持器夹持, 铝与“贵金属”直接接触, 此时若接触点有电解液存在, 就可能发生双金属腐蚀。另外, , 生缝隙腐蚀。。
、锌硅镁等元素, 使铝幅度的变化, 而爆破片性能要求其材料强度能长时期稳定。鉴于此, 含合金元素较多的防锈铝、硬铝及超硬铝等铝合金, 应严禁在爆破片中使用。另外, A l 2M g 合金若处理不当则会沉淀析出M g 2A l 3, 使合金对晶间腐蚀和应力腐蚀变得敏感, 因此, 即使是防锈铝也不适用于制作爆破片。2 铜
在GB 150—89中, 纯铜牌号为T 2(Cu (W %) >9919) 和T 4(Cu (W %) >9915) , 其最高使用温度为200℃, 钝铜中存在的杂质会引起铜的热脆和冷脆。如只要存在微量铅或铋, 就能引起铜的热脆, 而微量铋的存在还会导致冷脆。因此钝铜中应把铅限制在Pb (W %) =01005～01050, 铋的极限含量B i (W %) ≯01002〔1〕。铜中微量氧不仅使铜产生冷脆, 还会引起铜在H 2、CO 和CH 4等还原性气氛中退火而产生“氢病”。此时, 氢会在高温下渗入铜中并与Cu 2O 作用产生高压水蒸汽, 使铜破裂。曾有文献介绍, 铜在200℃的氢气中经115年而破裂〔2〕。T 2含氧O 2(W %) =0106, T 4含氧O 2(W %) =0110。在高温还原性气氛中加工或使用, 均有可能产生“氢病”。所以在还原性气氛中应尽量避免使用铜制爆
破片。
铜与大气和水等作用而生成难溶于水并与基底金属紧密结合的碱性硫酸铜和碳酸铜薄膜, 可防止铜被继续腐蚀。铜具有高的正电位, Cu +及Cu 2+离子化时, 其标准电极电位分别为+01522V 及+01V 。因此, 铜在, 、碱及盐, , 。但铜的, 氧、氧化剂、硝酸及其他氧化性的酸和通入氧或空气的酸、盐溶液, 都易使铜产生氧去极化腐蚀。铜表面的碱性化合物也在氧的作用下首先生成一价铜盐, 继而氧化成二价铜盐构成Cu 2+离子, 进入溶液使铜腐蚀。氨、氯化铵、氰化物、汞盐的水溶液和温润的卤素元素等也会引起铜严重腐蚀。
使用铜制爆破片时, 还应注意铜的各向异性。纯铜经压力加工时, 因加工率较大而出现变形织构, 再结晶退火时又出现再结晶织构, 这些结构使铜在各个方向上的物理、化学及力学性能不一致, 因而导致爆破片的质量均匀性受到影响。3 镍
GB 150—89中规定爆破片用的纯镍牌号为N 4、N 6和N 7, 最高使用温度为400℃。N 4、N 6和N 7对应的最低含镍量(W %) 分别为9919、9915和9913, 对其影响最大的杂质成分为硫, 当冷加工的镍在含硫量S (W %) >01009时, 温度为450～600℃范围退火后, 材料将产生冷脆性; 当含硫量S (W %) >01002时, 在700℃以上的温度条件下退火后镍材将变脆。
镍的标准电极电位为-0125V , 有显著的钝化性能, 因此具有较好的耐蚀性能。耐热碱液、中性及微酸性的非氧化性酸、有机酸及有机溶剂、干燥卤素、氧化氮、二氧化硫和氨气等的腐蚀。在室温下与N i 不起作用, 但在潮湿情况下, 则使N i 的腐蚀速度显著增加。
1998年第27卷 ・ 石 油 化 工 设 备 12・
响。由于奥氏体不锈钢中提高其耐蚀性能的
元素铬过饱和而固溶于奥氏体相中, 这种过饱和固溶体是不稳定的, 当加热到400～850℃时, 碳化物优先在晶界沉淀析出〔4〕, 导致材料发生晶间腐蚀的倾向性增大, 因此用奥氏体不锈钢制作的爆破片不宜于在温度超过400℃的情况下长期使用。
1828型不锈钢另一个需注意的问题是, 其奥氏体相是亚稳定的, 在低温下, 特别是形变过程中会转变为马氏体, , 影响材料的性能产生大变形形, 因此, 研究8织与性能的变化关系及其对爆破片性能的影响, 既对设计制造者有益, 也对使用者有益。5 镍基合金
在镍基合金中, 铜与镍组成的蒙乃尔(M onel ) 合金在还原性条件下比镍更耐腐蚀, 而在氧化性条件下比铜更耐腐蚀。在镍中添加铬可以提高在氧化性条件下材料的耐蚀性, 添加钼可以改善镍在还原性条件下的耐蚀性, 其改善程度随含钼量增加而增加。仅含钼的镍合金在酸中表现为活化态而不是钝化态, 因此它们在氧化性介质中的耐蚀性能不好, 而把铬加入到这种合金中, 可提高材料在氧化性介质和还原性介质中的耐蚀性。根据合金元素不同而划分的镍基合金, 国内外的牌号列于表4中。
表4 常用镍基合金牌号
M Cu [1**********]N i 68Cu 28A l 0C r 15N i 75Fe
0C r 23N i 63Fe 14A l 0C r 15N i 70T i 3A l N b 0M o 28N i 65V 00M o 28N i 68
0C r 18N i 60M o 16W 400C r 15N i 60M o 16W 4合金有蒙乃尔和因科镍, 其最高使用温度分别为430℃和480℃。就目前看, 表4所列合金类型在爆破片上皆有所应用, 因此, 有必要清楚地了解各种镍基合金的特性。
表5 镍基合金的耐蚀能力比较
材料牌号耐蚀温耐蚀能力高温耐蚀能力
哈氏哈氏因科镍蒙乃镍C 2镍[1**********]B 625
n m g b g g g m m n s n m n n s m s b b b s m s m b b b b m b s b g b b b s m s b b b b b m b b b b b b b b b b b b m m m b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b g b m b b b m g g b b b b b g b g n m 中性或碱性盐b
碱b
海水或海洋气氛m
无机盐m
盐酸或卤素盐g
大多数有机物g
空气n
蒸气n
CO n 2
CO b
H 2S n
N H 3n
注:11镍200含N i (W %) >99100; 21b ——好, g ——中
等～好, m ——中等, s ——差～中等, n ——差。
表5中为几种常用镍基合金耐蚀能力的比较。其中哈氏B 22合金几乎对各种类型介质均具有最优异的耐蚀性能。因科镍合金是为抗高温氧化介质而发展起来的, 但它不耐点蚀且产生晶间腐蚀; 哈氏B 不耐硝酸等氧化酸, 且与因科镍相似, 经500～700℃热处理会产生晶间腐蚀; 哈氏C 由于含有铬, 在室温下抗强氧化性介质腐蚀的能力提高, 但当温度高于65℃时, 腐蚀速度增大, 并在加热到700～800℃后产生晶间腐蚀〔5〕; 蒙乃尔400对氯化剂、硫酸等许多其他酸以及几乎全部碱显示了高度耐腐蚀能力, 而且在还原性介质中也比镍耐蚀, 在氧化性介质中比铜耐蚀, 但与纯镍一样存在硫腐蚀, 在硫化物中的使用温度降低, 在液态硫、蒸汽和H 2S 等还原性硫及硫化物环境中, 其使用温度应低于320℃, 在SO 2等氧化性硫化物中的使用温度应低于370℃〔6〕; 蒙乃尔合金在热轧状态下, 温度达到371℃时已经蠕变, 冷拔退火
N i 2Cu
N i 2C r N i 2M o N i 2C r 2M o
{
{
{
M onel 400
M onel K 2500Inconel 600Inconel 601Inconel X 2750H astelloy B H astelloy B 2H astelloy C
H astelloy C 2276 GB 150-89和GB 567-89规定的镍基
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爆破片常用材料的性能及特点
大连理工大学(大连116012) 讲师由宏新 工程师徐晓惠 教授丁信伟
摘要 介绍爆破片常用材料, 如纯铝、纯铜、纯镍、不锈钢、镍基合金和塑料膜的成分和特点, 以及它们的耐蚀性能、关键词 爆破片 耐蚀性 蠕变 材料分类号 TQ 05013
Perfor mance and Character istic Used for Bursti ng D isc
L ecturer Y ou H x iaohu i P rofesso r D ing X inw ei
(of T echno logy , D alian 116012)
he on and app licati on characteristics , co rro si on 2risisting and creep 2risisting
perfo r m ance , p roperties stablity are introduced fo r the m aterials that are often emp loyed to m ake bursting disc . T he m aterials include alum inium , copper nickel , stainless steels , nickel base alloys and p lastic fil m .
Key W ords : bursting disc , co rro si on 2risisting perfo r m ance , creep , m aterial 爆破片作为保证压力设备与管道安全的关键部件, 其安全性和可靠性对防止恶性工业灾害的发生起着十分重要的作用。由于装设爆破片的化工容器及设备往往在高温、高压下长期连续工作, 且压力与温度经常波动, 爆破片所接触的介质与环境也多具有腐蚀性, 因此, 不仅要求爆破片具有合理的结构, 准确的参数及较高的抗疲劳能力等性能, 而且要求用作爆破片的材料应具有良好的耐腐蚀、抗高温蠕变、长时间的组织稳定以及机加工性能。就目前选用的爆破片材料来看, 既有纯金属和合金, 又有非金属, 其品种和牌号繁多, 因此, 爆破片的设计者及使用者对这些材料的性能并非都很了解, 以致在选用爆破片材料时往往具有较大的盲目性。由此可见, 对爆破片常用材料的有关性能进行分析, 从而明确各种材料的使用条件及使用特点, 为设计和使用人员提供参考, 并加强爆破片用材的管理, 就显得尤为重要。1 铝
(以下简称GB 567—89) 和GB 150—89件》
(以下简称GB 150—89) , 都《钢制压力容器》
规定铝制爆破片的最高适用温度为100℃, GB 150—89同时规定其材料牌号为L 2、L 3
和L 4。它们均为工业纯铝, 其含铝量(W %)
分别为9916、9915和9913以上, 其中所含杂质主要为Fe 、杂质Fe 和Si 的Si 及Cu 等元素。
作用虽使纯铝的强度略有提高, 但塑性变差, 因此在变形时易于开裂, 耐蚀性也降低。
了解铝的耐蚀特点对铝制爆破片的安全使用及管理具有重要意义。纯铝化学性质很活泼, 当标准电极电位为-1167V 时, 在空气中易形成致密的A l 2O 3薄膜。经钝化的纯铝在大气、水及pH 为415～815的溶液和其它氧化环境中, 具有良好的耐蚀性。但在碱中并不耐蚀且会发生全面腐蚀。在稀酸中呈点蚀。在含F —和C l —等阴离子的中性盐溶液
2+中, 易产生点蚀。当溶液中含有Fe 2+、N i 及
Cu
2+
等电位较正的金属离子时, 则会加速铝铝是廉价金属, 其耐蚀性主要依靠其表
的腐蚀, 特别是加速了点蚀。
《拱形金属爆破片技术条GB 567—89
第1期 由宏新等:爆破片常用材料的性能及特点・11・
纯镍耐还原性酸的腐蚀能力不佳, 特别是在含有氧及氧化剂的情况下会加速其腐蚀。在
2+
还原性酸中, 若含有Fe 3+、Cu 等氧化性离子也将加速其腐蚀。纯镍不耐硫化物腐蚀, 且在耐氧化性酸和抗高温氧化性能方面存在着较严重的缺点。
纯镍的力学性能较低, 接近于低碳钢的力学性能, 高温力学性能也较低, 特别是当其低于400℃时即有蠕变现象发生。表1列出了不同状态下的N 6在低于400值〔2〕。由表中数据可见, 分别在320, 发生蠕—规定的纯镍使用温度(400℃) 退火状态的纯镍在400℃条件下, 短时抗拉强度在350M Pa 左右, 而蠕变极限远低于该数值。爆破片的工作特性确定了膜片在设备工作压力下其应力水平很高, 蠕变可导致材料在应力较小的情况下产生塑性变形, 最终变形失控使材料破裂。爆破片若发生蠕变, 将导致爆破片在低于设定压力下破坏, 使爆破片的工作特性受到严重影响, 对此应予以足够的重视。
表1 N 6在不同状态下的蠕变极限
材料及状态
N 6退火
N i (W %) =991N 6冷拔40%N i (W %) =991N 6退火(W %) =01温度 ℃
370370
3
1402
182315
—
105
Ρ1 104
12863150—89和GB 567—89都未对用于
爆破片的不锈钢牌号作具体规定, 仅规定其最高使用温度为400℃。爆破片常用不锈钢牌号有:1C r 19N i 9(304) 、00C r 19N i 11(304L ) 、0C r 17N i 12M o 2(316) 、00C r 17N i 14M o 2(316L ) 、1C r 18N i 9T i (321) 及1C r 18N i 11N b (347) 等。表2对上述不锈钢材料耐蚀特点及室温下对不同介质的耐腐蚀能力进行了比较。表3是上述几种材料在不同介质中抗高温氧化性能的比较。由上述比较可见, 铬镍量较高且含钼的316L 比304不锈钢具有更好的抗点蚀和抗化学腐蚀能力; 316L 由于含碳量更低, 因此抗晶间腐蚀性能更好。
表2 几种不锈钢材料的耐蚀特点及室温下对不同介质的耐蚀能力
缝隙和牌号g g b b m 晶间m b g b b 应力s m m m n 冲刷m m g g s 普通水
b b b b b 工业g g b b g 中性或b b b b b 碱
b b b b b 海水或大多数盐酸或大多数m m b g m m m b b m s s b b s b b b b b 304304L 316316L 321 注:b ——好, g ——中等～好, m ——中等, n ——差, s ——差～中等。
表3 几种不锈钢材料在不同介质中的抗高温氧化性能
牌号
304
304L 316316L 321空气
m m b m m 蒸汽
m m b b m CO 2m m b b m CO g g g g g H 2S g g b b g SO 2g g b b g N H 3b b b b b 卤素
g g b b g 注:b ——好, g ——中等～好, m ——中等。
1828型不锈钢具有较高的高温强度, 作为耐热钢, 使用温度一般不超过600℃〔3〕, 但
作为爆破片用的耐蚀钢, 其使用温度还需考
虑组织稳定性及组织变化对材料性能的影
1998年1月 PETRO 2CH E M I CAL EQU IP M EN T Jan. 1998
强化传热性能的火用经济指标评价
重庆大学(重庆630044) 讲师吴双应 副教授李友荣
摘要 在对管内受迫对流换热过程进行火用经济分析的基础上, 提出了一项评价管内强化传热性能的火用经济指标——强化传热性能费用因子Ρ。该指标不仅反映了采用强化传热措施后传热能力的改善, 。
关键词 强化传热 火用经济分析 性能评价 分类号 TQ 05011或20%冷拔并经应力消除处理后, 在399发生蠕变〔6〕, 其值均低于GB 567—89430℃。6 塑料膜
开缝和特殊腐蚀情况下用塑料膜来实现爆破片的密封和防止介质腐蚀。常用塑料膜的性能见表6。对爆破片使用的塑料膜, 除要
低密度聚乙烯高密度聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚四氟乙烯聚全氟乙丙烯
-70～60-70～70-14～120
-40～60-200～260-260～204
, 还需具备较好的抗老化性、
。聚乙烯、聚丙烯及聚氯乙烯由于难以满足这些性能要求, 所以, 较少应用于爆破片上, 只在特殊情况下应用。爆破片中常用的塑料膜有聚四氟乙烯和聚全氟乙丙烯, 在GB 150—89中规定, 使用这两种保护膜的爆破片, 最高使用温度分别为260℃和200℃。
表6 常用塑料膜使用特点
{{{ 对非氧化酸、稀硝酸、碱和盐耐蚀性好, 但不耐浓硫酸、浓硝酸和其他强氧化剂腐蚀; 对有机溶剂, 常温下耐蚀性良好; 耐老化性能较差, 特别是热氧化作用使其性能变差
耐蚀性和聚乙烯相似, 且较优, 耐光性差且易老化
耐酸、碱、盐、气体及水等的腐蚀, 浓硝酸, 发烟硫酸, 醋酐、酮类、醚类、卤代烃类及芳胺等对它有腐蚀作用, 热稳定性能差, 受光、热及氧作用易老化
除熔融金属锂、钾、钠、C lF 3、高温O F 3及高流速液氟外, 可耐所有化学介质, 包括浓HNO 3和王水的腐蚀; 具有优异的耐热性、高度的化学稳定性及非常好的耐大气老化性
耐蚀性极好, 与聚四氟乙烯相似, 抗蠕变性在室温下比聚四氟乙烯好, 但在高温下不及聚四氟乙烯。突出优点是加工性能较聚四氟乙烯好
聚四氟乙烯使用温度较高, 但在高温下
承受应力的作用会产生变形, 温度越高变形越大。其蠕变随结晶度而异, 结晶度在55%～80%时蠕变量不大, 结晶度低于55%或高于80%则蠕变量大增。蠕变的结果使塑料膜在
据设备运行的工作条件合理选用爆破片材料,
才可能设计制造出满足生产需要的爆破片。
参 考 文 献
1 谭树松1有色金属材料学1北京:冶金工业出版社,
1993122～28
2 重有色金属材料加工手册编写组1重有色金属材料加工手册(第一分册) 1北京:冶金工业出版社, 1979110～4, 306～313
3 朱日彰, 卢亚轩1耐热钢和高温合金1北京:化学工业出版社, 19961119～122
4 肖纪美1不锈钢的金属学问题1北京:冶金工业出版社,
19831216～2305 〔美〕田家凯, 安塞尔G S 1合金及显微结构设计1北京:
冶金工业出版社, 19851228～229
6 陆世英, 康喜范1镍基及铁镍基耐蚀合金1北京:化学工业出版社, 1989138～46
(收稿日期:1997204227) (王编)
孔、缝处变形而被割破, 于是丧失其保护和密封作用, 爆破片因此而失效。这里要指出, 就室温下的抗蠕变性能而言, 聚全氟乙丙烯比聚四氟乙烯要好, 但在高温下却不及聚四氟乙烯。7 结语
爆破片是保证带压设备安全运行的重要部件, 只有全面地了解各种材料的性能, 从而根
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面生成的薄而致密的氧化膜, 对厚度很薄的
爆破片来说, 保护铝表面不受腐蚀, 有其十分重要的意义。在某些情况下铝是十分容易腐蚀的, 如将铝制爆破片直接(或靠近) 放置于新制备的混凝土表面上, 由于砂浆呈碱性, 从地面蒸发的水蒸汽冷凝后也呈碱性, 故爆破片就会被腐蚀; 再如铝制爆破片一般用碳钢或不锈钢夹持器夹持, 铝与“贵金属”直接接触, 此时若接触点有电解液存在, 就可能发生双金属腐蚀。另外, , 生缝隙腐蚀。。
、锌硅镁等元素, 使铝幅度的变化, 而爆破片性能要求其材料强度能长时期稳定。鉴于此, 含合金元素较多的防锈铝、硬铝及超硬铝等铝合金, 应严禁在爆破片中使用。另外, A l 2M g 合金若处理不当则会沉淀析出M g 2A l 3, 使合金对晶间腐蚀和应力腐蚀变得敏感, 因此, 即使是防锈铝也不适用于制作爆破片。2 铜
在GB 150—89中, 纯铜牌号为T 2(Cu (W %) >9919) 和T 4(Cu (W %) >9915) , 其最高使用温度为200℃, 钝铜中存在的杂质会引起铜的热脆和冷脆。如只要存在微量铅或铋, 就能引起铜的热脆, 而微量铋的存在还会导致冷脆。因此钝铜中应把铅限制在Pb (W %) =01005～01050, 铋的极限含量B i (W %) ≯01002〔1〕。铜中微量氧不仅使铜产生冷脆, 还会引起铜在H 2、CO 和CH 4等还原性气氛中退火而产生“氢病”。此时, 氢会在高温下渗入铜中并与Cu 2O 作用产生高压水蒸汽, 使铜破裂。曾有文献介绍, 铜在200℃的氢气中经115年而破裂〔2〕。T 2含氧O 2(W %) =0106, T 4含氧O 2(W %) =0110。在高温还原性气氛中加工或使用, 均有可能产生“氢病”。所以在还原性气氛中应尽量避免使用铜制爆
破片。
铜与大气和水等作用而生成难溶于水并与基底金属紧密结合的碱性硫酸铜和碳酸铜薄膜, 可防止铜被继续腐蚀。铜具有高的正电位, Cu +及Cu 2+离子化时, 其标准电极电位分别为+01522V 及+01V 。因此, 铜在, 、碱及盐, , 。但铜的, 氧、氧化剂、硝酸及其他氧化性的酸和通入氧或空气的酸、盐溶液, 都易使铜产生氧去极化腐蚀。铜表面的碱性化合物也在氧的作用下首先生成一价铜盐, 继而氧化成二价铜盐构成Cu 2+离子, 进入溶液使铜腐蚀。氨、氯化铵、氰化物、汞盐的水溶液和温润的卤素元素等也会引起铜严重腐蚀。
使用铜制爆破片时, 还应注意铜的各向异性。纯铜经压力加工时, 因加工率较大而出现变形织构, 再结晶退火时又出现再结晶织构, 这些结构使铜在各个方向上的物理、化学及力学性能不一致, 因而导致爆破片的质量均匀性受到影响。3 镍
GB 150—89中规定爆破片用的纯镍牌号为N 4、N 6和N 7, 最高使用温度为400℃。N 4、N 6和N 7对应的最低含镍量(W %) 分别为9919、9915和9913, 对其影响最大的杂质成分为硫, 当冷加工的镍在含硫量S (W %) >01009时, 温度为450～600℃范围退火后, 材料将产生冷脆性; 当含硫量S (W %) >01002时, 在700℃以上的温度条件下退火后镍材将变脆。
镍的标准电极电位为-0125V , 有显著的钝化性能, 因此具有较好的耐蚀性能。耐热碱液、中性及微酸性的非氧化性酸、有机酸及有机溶剂、干燥卤素、氧化氮、二氧化硫和氨气等的腐蚀。在室温下与N i 不起作用, 但在潮湿情况下, 则使N i 的腐蚀速度显著增加。
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响。由于奥氏体不锈钢中提高其耐蚀性能的
元素铬过饱和而固溶于奥氏体相中, 这种过饱和固溶体是不稳定的, 当加热到400～850℃时, 碳化物优先在晶界沉淀析出〔4〕, 导致材料发生晶间腐蚀的倾向性增大, 因此用奥氏体不锈钢制作的爆破片不宜于在温度超过400℃的情况下长期使用。
1828型不锈钢另一个需注意的问题是, 其奥氏体相是亚稳定的, 在低温下, 特别是形变过程中会转变为马氏体, , 影响材料的性能产生大变形形, 因此, 研究8织与性能的变化关系及其对爆破片性能的影响, 既对设计制造者有益, 也对使用者有益。5 镍基合金
在镍基合金中, 铜与镍组成的蒙乃尔(M onel ) 合金在还原性条件下比镍更耐腐蚀, 而在氧化性条件下比铜更耐腐蚀。在镍中添加铬可以提高在氧化性条件下材料的耐蚀性, 添加钼可以改善镍在还原性条件下的耐蚀性, 其改善程度随含钼量增加而增加。仅含钼的镍合金在酸中表现为活化态而不是钝化态, 因此它们在氧化性介质中的耐蚀性能不好, 而把铬加入到这种合金中, 可提高材料在氧化性介质和还原性介质中的耐蚀性。根据合金元素不同而划分的镍基合金, 国内外的牌号列于表4中。
表4 常用镍基合金牌号
M Cu [1**********]N i 68Cu 28A l 0C r 15N i 75Fe
0C r 23N i 63Fe 14A l 0C r 15N i 70T i 3A l N b 0M o 28N i 65V 00M o 28N i 68
0C r 18N i 60M o 16W 400C r 15N i 60M o 16W 4合金有蒙乃尔和因科镍, 其最高使用温度分别为430℃和480℃。就目前看, 表4所列合金类型在爆破片上皆有所应用, 因此, 有必要清楚地了解各种镍基合金的特性。
表5 镍基合金的耐蚀能力比较
材料牌号耐蚀温耐蚀能力高温耐蚀能力
哈氏哈氏因科镍蒙乃镍C 2镍[1**********]B 625
n m g b g g g m m n s n m n n s m s b b b s m s m b b b b m b s b g b b b s m s b b b b b m b b b b b b b b b b b b m m m b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b g b m b b b m g g b b b b b g b g n m 中性或碱性盐b
碱b
海水或海洋气氛m
无机盐m
盐酸或卤素盐g
大多数有机物g
空气n
蒸气n
CO n 2
CO b
H 2S n
N H 3n
注:11镍200含N i (W %) >99100; 21b ——好, g ——中
等～好, m ——中等, s ——差～中等, n ——差。
表5中为几种常用镍基合金耐蚀能力的比较。其中哈氏B 22合金几乎对各种类型介质均具有最优异的耐蚀性能。因科镍合金是为抗高温氧化介质而发展起来的, 但它不耐点蚀且产生晶间腐蚀; 哈氏B 不耐硝酸等氧化酸, 且与因科镍相似, 经500～700℃热处理会产生晶间腐蚀; 哈氏C 由于含有铬, 在室温下抗强氧化性介质腐蚀的能力提高, 但当温度高于65℃时, 腐蚀速度增大, 并在加热到700～800℃后产生晶间腐蚀〔5〕; 蒙乃尔400对氯化剂、硫酸等许多其他酸以及几乎全部碱显示了高度耐腐蚀能力, 而且在还原性介质中也比镍耐蚀, 在氧化性介质中比铜耐蚀, 但与纯镍一样存在硫腐蚀, 在硫化物中的使用温度降低, 在液态硫、蒸汽和H 2S 等还原性硫及硫化物环境中, 其使用温度应低于320℃, 在SO 2等氧化性硫化物中的使用温度应低于370℃〔6〕; 蒙乃尔合金在热轧状态下, 温度达到371℃时已经蠕变, 冷拔退火
N i 2Cu
N i 2C r N i 2M o N i 2C r 2M o
{
{
{
M onel 400
M onel K 2500Inconel 600Inconel 601Inconel X 2750H astelloy B H astelloy B 2H astelloy C
H astelloy C 2276 GB 150-89和GB 567-89规定的镍基