氯碱系统73%固碱蒸发器设备的腐蚀、选材与设计

王京

氯碱生产涉及的介质大都具有腐蚀性的特点，与介质接触的相关设备要做到长期使用，保证安全生产，这与设备材质耐腐蚀性能的好坏有很大的关系。如果材质选择不当，容易造成设备严重腐蚀最终造成停产检修，对人力、物力、财力都是极大的浪费，同时也影响了环境。

在氯碱系统的73%固碱生产中，Ⅰ、Ⅱ效蒸发器是核心关键设备，某公司73%固碱装置中Ⅰ效蒸发器蒸发室NaOH的浓度是30－40%，工作温度是100－145℃，加热室（管程）NaOH的浓度是30－40%，工作温度是140－150℃；Ⅱ效蒸发器蒸发室NaOH的浓度是42－51%，工作温度是80－90℃，加热室（管程）NaOH的浓度是42－51%，工作温度是80－90℃。对Ⅰ、Ⅱ效蒸发器设备的选材和设计，应从以下几方面考虑。

一、NaOH的腐蚀情况分析

NaOH对设备的腐蚀，主要有均匀腐蚀和局部腐蚀两大类。均匀腐蚀又称全面腐蚀，是在器壁整个暴露表面上或在大面积上产生程度基本相同的腐蚀，如果在容器设计时考虑了足够的腐蚀裕量，则容器在设计寿命内是能安全使用的，因此均匀腐蚀的危险性不大，在设计上也较容易处理；局部腐蚀主要有：缝隙腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等等。

其中应力腐蚀是由拉应力与腐蚀因素共同作用的结果而产生的。应力腐蚀引起的断裂是脆性断裂，往往没有预兆，而且实践中发生的事故，往往拉应力都很低（如仅有材料屈服强度的5%—10%）就产生裂纹，以至于断裂，因而应力腐蚀开裂是最为危险的一种腐蚀情况。

一般情况下，构成应力腐蚀断裂要具备三个条件：1、要有拉伸应力；2、要有特定的腐蚀环境(包括腐蚀介质的成分、浓度和温度等)；3、金属材料要具有特定的合金成分和组织。

引起应力腐蚀开裂的应力来源，除了由载荷产生的工作应力外，更多的来自制造过程产生的残余应力，如冷加工、焊接（注：焊接不仅产生残余应力，又使焊缝附近达到敏化温度（约500—800℃），会使奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀）、热加工以及装配过程中引起的残余应力，而由后者引发的应力腐蚀破坏占了绝大部分。因此对有应力腐蚀倾向的容器应进行消除应力的焊后热处理。

产生应力腐蚀的另一重要条件是介质环境，氯碱系统设备常用的金属材料容易引起应力腐蚀的介质环境如下表所示：

材料	介质环境
碳钢、低合金钢	苛性碱溶液（NaOH、KOH）、氨溶液、含H2S水溶液、海水、FeCl3、醋酸等
奥氏体不锈钢	苛性碱溶液（NaOH、KOH）、氯化物水溶液、锅炉水、海水、NaCL+H2O2水溶液、海洋大气、热NaCl、H2S水溶液等

由此可以看出NaOH溶液是容易对材料造成应力腐蚀的介质环境，因此在Ⅰ、Ⅱ效蒸发器的材质选择上，要充分考虑应力腐蚀的影响。

二、材料的选择

NaOH溶液既然是容易对材料造成应力腐蚀的介质环境，因而在Ⅰ、Ⅱ效蒸发器的材质选择上，应优先选择耐应力腐蚀性能好的材料。

1、Ⅰ效蒸发器材质选择

根据相关设计资料和腐蚀数据手册，可以查出NaOH浓度≥40%，温度≥120℃时，是奥氏体不锈钢的应力腐蚀敏感区，对照Ⅰ效蒸发器的介质浓度和温度，正好是奥氏体不锈钢应力腐蚀敏感区，已具备了构成应力腐蚀断裂三个条件，因此Ⅰ效蒸发器与NaOH介质接触的材质选择奥氏体不锈钢已不适合，如仍采用奥氏体不锈钢材料，极易发生应力腐蚀开裂（虽然可以采取焊后热处理消除部分应力，但由于由载荷产生的工作应力和来自制造过程产生的残余应力，不可能完全消除，即引起应力腐蚀开裂的应力始终会存在），对73%固碱生产是极大的安全隐患，有造成生产事故的危险。

除了奥氏体不锈钢更好的金属材料是银、镍、蒙乃尔合金，这里优先考虑镍材，银、蒙乃尔合金由于过于昂贵和不易采购不建议使用。镍的化学性质稳定，对氢氧化物的耐腐蚀能力很强，即使在熔融状态的NaOH溶液中仍具有很高的抗蚀性，而且镍与碳钢、不锈钢都能焊接，焊接性能较好。

因此，Ⅰ效蒸发器与NaOH溶液介质接触的部分均应选择镍材，但如果与NaOH溶液介质接触的壳体全部采用镍材，由于镍材的价格较昂贵，那将是十分不经济的，因此在设计上一般采用复合板结构（即将镍和碳钢复合），常用的技术手段是通过爆炸复合，将两种不同的材料紧密的复合在一起成为复合板材料，复合板的基层的一般采用碳钢或低合金钢（如Q235-B、16MnR等等）承受内压（或外压）引起的应力，复合板的复合层采用耐蚀的材料（如镍）以起到防腐的目的。

2、Ⅱ效蒸发器材质选择

Ⅱ效蒸发器与NaOH溶液介质接触的部分的材质如果同Ⅰ效蒸发器一样选择镍材，肯定能够满足使用要求，但由于Ⅱ效蒸发器的介质浓度和温度，不是奥氏体不锈钢应力腐蚀敏感区，发生应力腐蚀的几率大大的降低了，如果选择镍材是很不经济的，同时考虑到Ⅱ效蒸发器设备的重要性比Ⅰ效蒸发器设备略低，以及从降低设备制造成本上考虑，选择高铬镍的不锈钢310S，同样也能够满足使用要求，在设计上也采用了复合板结构（即将不锈钢310S和碳钢复合）。

三、结构设计

缝隙是引起局部腐蚀的主要原因之一，在设计中应该尽量避免，因为尽管外部溶液中材料的腐蚀速度很低，但缝隙内由于局部物料的滞留，使化学和电化学性质发生了变化（如PH值降低等），造成材料的局部缝隙腐蚀损坏。比如焊缝就是最容易发生腐蚀的部位，如果焊接方式设计不当，如采用搭接焊和间断焊，就会产生缝隙，而如采用连续焊或双面对接焊就能减少和避免缝隙的产生。同样换热器的管板与管子的连接，如采用先胀接后焊接的方法来消除接缝，也可以防止缝隙腐蚀的发生。

结构设计的不合理还能引起局部应力集中，造成应力腐蚀、晶间腐蚀等情况的发生，因此设计时要尽量使零部件的外形简单、完整，封头与筒体、筒体与筒体的焊接最好采用双面对接焊的方式，且截面要圆滑过渡，以减少尖角、沟槽、缝隙的产生。容器的出口应设置在溶液的最低处，可能存液的部位可开排液口，以减少或消除死角的危害（注：死角是液体不易流动的地方）。

四、结束语

正确的选材是最重要也是最常用的防腐方法，选材的目的是保证设备能正常使用，有合理的使用寿命和合理的经济支出。对一台设备而言，主体材料大约就占了设备总造价的40％－60％，因此正确合理的选材对设备的成本至关重要，选材的基本原则是：能够用一般材料的就不要用高档材料，腐蚀情况一般的就不要轻易选用不锈钢或更高级的材料，如Ⅰ、Ⅱ效蒸发器加热室的壳程内的介质是蒸汽和冷凝水，因此材质选择上选用一般的碳钢Q235-B即可，没必要再选用304、316L等不锈钢材料；当腐蚀环境较苛刻需选用贵重材料时，应优先考虑复合板结构，以节约贵重材料。

在材料的选用上应综合考虑介质的腐蚀性、设备的结构、压力、温度、材料的加工性能、焊接性能、制造成本等等各方面的因素。不能片面的为投资节约就大幅降低材料的等级，甚至选用不符合要求的材料，给制造、生产、操作留下安全隐患，也不能为求保险万无一失，而盲目提高材料的等级，使制造成本增高，造成设计上的浪费。

总之，防腐蚀工作必须从设计上就开始考虑，正确的选材是设计工作重要的一环，设计人员应该了解腐蚀的基本知识，正确的运用防腐蚀的观点来考虑设计，以避免那些错误的选材以及加速腐蚀的错误设计。

【参考文献】

1、《腐蚀数据手册》化学工业出版社出版，作者：左景伊

2、《钢制化工容器设计规定HG 20580~20585-2011》

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