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。对工程造价的有效估算、施工进度安排和安全运行起到一定的作用。
材料选择的基本概念包括：
- 材质类型 ：这涵盖了可供选择的各种可用材料。
- 材料属性 ：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： 这与各种材料的拥有成本、资金成本、维护成本和运营成本有关。
常用材质概览
该行业有许多工程材料。下面我们来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、低成本、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，提高了材料在高温下的强度和可靠性，例如在电厂锅炉中。
在零度以下的温度下，碳钢的韧性较低，因此添加镍以保持韧性。镍含量越高，低温范围越宽，尤其是在液化天然气（LNG）和液化石油气（LPG）设备中防止脆性断裂的液态气体应用中。
铸铁
铸铁是一种铁基金属，含碳量超过 2%。它很便宜，不需要额外的处理来降低碳含量。然而，它很脆并且具有有限的可焊性。它用于水泵和管道中的非关键部件，具有与碳钢相似的耐腐蚀性能。灰口铸铁和球墨铸铁是最常见的铸铁类型。
不锈钢 (SS)
不锈钢是铬含量至少为 11% 的钢种，并与镍、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中。根据合金成分和显微组织的不同，不锈钢有多种类型。
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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。它们易敏化且难以焊接，因此用于未焊接的部件。铁素体不锈钢虽然具有中等的耐腐蚀性，但对氯化物辅助应力腐蚀开裂（SCC）具有抵抗力。
马氏体不锈钢
马氏体不锈钢的镍含量低，用途与铁素体不锈钢相似。它们具有高强度，并且有许多由马氏体不锈钢制成的管道。它们的高硬度使其更适合用于抗腐蚀。
奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢是工业上最常用的不锈钢。由于镍含量较高，它们具有良好的耐腐蚀性，并且易于制造。根据环境的腐蚀性，有不同等级的奥氏体不锈钢可供选择。一些低合金等级对氯化物 SCC 的抵抗力较低。奥氏体不锈钢广泛用于低温应用。
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双相不锈钢
双相不锈钢具有双重微观结构，铁素体和奥氏体，具有综合性能。它们具有高强度和非常好的耐腐蚀性，尤其是对氯化物辅助 SCC，使其非常适合在海上应用中使用。而双相不锈钢则继承了铁素体相强度较低的特点。
沉淀硬化不锈钢
根据热处理的不同，沉淀硬化不锈钢具有奥氏体、半奥氏体或马氏体微观结构的高强度和韧性。尽管它们具有良好的可焊性，但它们的应用受到限制，例如用于高性能弹簧。
合金
合金结合了不同的金属，具有不同的特性。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，因此价格昂贵，通常与钼等其他合金元素一起添加。有许多类型的镍合金以品牌名称命名，例如 Hastelloy、Incoloy、Monel 等，这些名称与过期专利有关，但命名遗产仍然存在。镍合金耐氯化物辅助SCC和硫化物辅助SCC。
网络研讨会： 镍合金的耐蚀性
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，它们在与铁基金属接触时容易受到电偶腐蚀。由于铝的熔点较低，铝合金的应用仅限于低温用途。由于其优异的热性能和延展性保持，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
铜合金常用于海水环境和热交换器。它们对生物污垢（尤其是微污垢）和可能导致局部腐蚀的停滞条件以及与过度流动相关的腐蚀具有很高的抵抗力。一些铜合金在含氨环境中易发生 SCC。
钛合金
钛合金在高氯化物环境中具有良好的强度重量比和高耐腐蚀性。然而，它们昂贵且难以制造。非合金钛在工业上常用，比其他钛牌号更经济。
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陶瓷
由于其易碎的性质 - 尽管它们具有很高的耐腐蚀性 - 陶瓷不用于承压设备。陶瓷用于高温设备和零件，例如耐火材料，并用于防止磨损。耐火材料用陶瓷一般由铝、镁和硅的氧化物组合而成。为了耐磨，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强。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垫。 HDPE、PVC 和 PTFE 是热塑性塑料的例子，但尽管它们属于同一组，但它们具有不同的特性和应用。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的基质。弹性体具有独特的机械性能，可用于许多加压应用中的密封部件。
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复合材料
复合材料是两种或多种材料的组合，以实现两者的特性，从而实现特定应用的最佳特性。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筋。纤维具有高强度，基体具有韧性，应力分布均匀。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，例如用于耐化学性的 C 玻璃或用于抗疲劳的 R 玻璃。热固性聚合物是一种常用的复合基体，易于制造，具有良好的机械性能和耐腐蚀性能。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，它往往被用于缠绕管。
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、阴极保护和使用不锈钢来减轻腐蚀。
选择材料时要考虑的因素
一般来说，材料考虑的主要因素包括但不限于：
- 机械性能
- 腐蚀特性
- 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，具体取决于微观结构、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进行标准化。基本力学性能包括但不限于：
- 抗拉强度
- 冲击能量
- 伸长率
- 硬度
- 疲劳
- 断裂韧性
- 蠕变
- 其他因素取决于具体应用
这些特性通常是通过对制造过程中的样品进行破坏性测试获得的，结果在材料证书中说明。但是，为了避免采购商和制造商之间的纠纷，事先会进行专门的机械测试。
随着时间的推移，材料会因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操作。
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一般有以下几种：
- 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
- 运营反馈
热力学腐蚀图/图表
腐蚀图表/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或在输入参数的 Excel 表格中使用。有 CO2 腐蚀、氧腐蚀和裂纹扩展速率的模型。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
化学兼容性表格或图表是用于确定环境条件与应用所选材料之间兼容性的定性工具。在某些情况下，需要进行额外的调查和测试才能更好地确定所选材料的相容性。
实验室测试
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，进行实验室测试。将环境条件、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
一些处理技术是专有的，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，因为它们提供了基于现场的实时数据。历史数据收集（操作参数变更、材料证书、焊接工艺规范 (WPS)/工艺鉴定记录 (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) 和运营费用 (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。 CAPEX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。使用碳钢的 CAPEX 可能较低，但 OPEX 较高，而使用不锈钢则相反。
材料可用性也起着至关重要的作用，尤其是在项目进度方面。例如，由于供应商的限制、数量少或可能需要最低数量订单的库存，在可能增加成本的情况下，使用专有材料可能需要比平时更长的交付时间。
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，以及数千个工时才能满足 PWHT 要求。难焊材料可能会降低焊接速度，提高返修率。
结论
材料选择涉及复杂的程序，需要了解失效敏感性和腐蚀控制方法，以及不同工程学科之间的合作。
复合材料