如何克服高温合金™AL-6XN®和哈氏合金®C-22®的腐蚀
这些条件包括:
- 升高的温度
- 低pH值
- 被加工产品中的化学物质
- 用于清洁设备的产品中的化学物质
这就是为什么长期可靠的耐腐蚀性是工程师在系统设计中必须考虑的重要因素之一，也是为什么正确选择建筑材料是至关重要的原因。
超级合金™:当加工条件要求更多
许多现代加工环境要求比316和316L等奥氏体不锈钢提供更好的耐腐蚀性。超级合金耐蚀™AL-6XN®和Hastelloy®C-22®是在恶劣条件下运行的系统设计和构建的优秀替代方案。
两者都比316不锈钢含有更高水平的铬、钼和镍。增加的铬和钼增加了抗点蚀和缝隙腐蚀的能力。
- 钼提供更高的阻力在甲酸和磷酸介质等减少环境中，较高的镍含量提高了抗氯化物应力腐蚀开裂的能力。
在这篇文章中,我们将讨论耐腐蚀超级合金AL-6XN和哈氏合金C-22之间的区别，以帮助教育您选择适合您的应用程序的正确材料。为了开始讨论-并提供超级合金的应用之间的比较-让我们首先看看一些标准的不锈钢材料在加工中使用和它的局限性。
不锈钢:耐腐蚀，但不耐腐蚀
我们将从标准钢板背后的科学开始。钢是“不锈钢”——也就是说，在特定环境下不会因腐蚀而“变色”——因为它形成了一种自我修复的保护层，称为被动膜。316不锈钢含有16-18%的铬，它与空气中的氧气或过程溶液反应形成氧化铬层被动胶片。随着时间的推移，它将继续重新形成，并提供一个屏障，以防止金属划伤或降解作为常规使用的一部分。
316和316L是奥氏体不锈钢-它们的奥氏体结构主要来自镍的加入(约占总成分的11.5%)。它们还含有少量其他奥氏体稳定元素，如碳、锰和氮。通过添加钼，可以提高抗还原酸和点蚀和缝隙腐蚀的能力——大约2.1%。316L与316的区别在于其含碳量较低，降低了晶间腐蚀的敏感性。
卫生和高纯度加工中的腐蚀危害
所有不锈钢和镍合金都有一个阈值，超过这个阈值它们就可能被腐蚀。如果发生腐蚀性攻击，腐蚀模式和严重程度可以告诉您右侧或错误的合金是否正在用于作业。
数十年用于卫生和高纯度应用的不锈钢加工设备的经验表明，最常见的腐蚀方式是:
- 裂缝腐蚀和点蚀在含氯化物处理溶液的存在下
- 应力腐蚀开裂在50°C/122°F以上的含氯环境中
缝隙腐蚀
缝隙腐蚀是通过设计或制造缺陷产生的小缝隙中的表面被动层的击穿，或者由沉积在加工设备中的沉积物形成。
工程或“设计”在工艺系统的缝隙或间隙中可能发生在接头、法兰下或法兰之间、垫圈或其他接触区域，如阀座。
裂缝的几何形状很重要，紧的深裂缝比宽的浅裂缝更容易受到攻击。
缝隙腐蚀最有可能在含氯化物盐水溶液中发生，这几乎普遍存在于卫生和高纯度处理：
- 食盐(氯化钠)几乎所有的食品和饮料中都含有不同数量的维生素b
- 氯化钾（KCl）在汤、酱和运动饮料中都有
- 氯化镁,在豆浆和花生酱中发现
- 氯化钙、在洗涤剂和清洁剂中发现
在溶液中，氯离子(Cl-)和氢离子(H+)会聚集在裂缝内，创造一个酸性的氯离子环境，可以与316等不锈钢发生反应，导致钝化膜局部破裂，并在裂缝内快速攻击。随着温度的升高，这种形式的腐蚀的可能性会增加。
点状腐蚀
点蚀是以材料表面的深空的形式出现的。随着温度的升高，它也最有可能出现在含氯化物的溶液中。凹坑会发生在表面的薄弱部位，如夹杂物、机械缺陷和有焊缝热着色的地方。
一旦启动坑，坑的增长就与缝隙腐蚀的增长非常相似。坑的内部富含氯化物和更酸性，加剧坑生长。避免点蚀比一旦点蚀就停止要容易得多。
应力腐蚀开裂
这种类型的腐蚀表现为暴露在腐蚀环境和拉应力下的材料出现裂纹- 例如，氯化物的存在和温度约为50℃/ 122°F或更高。
拉应力的来源可以是使用条件，如高压应用或残余应力，如与焊接有关的应力。
大多数应力腐蚀裂纹出现在使用应力和残余应力组合最高的焊缝附近。
超级合金AL-6XN和哈氏合金C-22
AL-6XN:优良的耐蚀性和可加工性
AL-6XN是一种超奥氏体不锈钢，含有相对较高的铬(20 - 22%)、约6%的钼和高氮(0.18 - 0.25%)。
除了提供更好的耐蚀性，它比300系列奥氏体不锈钢强大约50%(基于屈服强度)，并具有良好的冲击韧性、可加工性和可焊性。
AL-6XN案例研究
一家全球食品和饮料产品生产商就现有316L不锈钢管和其他配件频繁泄漏的问题联系了CSI。CSI调查发现，该生产商在加工超高温果汁时，生产线出现点蚀和应力腐蚀开裂。
当暴露在高酸、高温环境下时，316L的被动保护层遭到破坏，腐蚀导致凹坑最终穿透表面。这些凹坑成为基础金属中的应力腐蚀裂缝的起始位点，而不是焊接区域，揭示了316L不达到手头的加工任务。
在CSI发现腐蚀的根本原因后，生产商决定从316L升级到AL-6XN来解决问题。CSI能够帮助生产商重建系统，从现有库存中提供所有必要的管道和配件。该生产商没有经历进一步的材料故障，从而节省了数百万美元。
哈氏合金C-22:用于最恶劣环境的腐蚀防护
AL-6XN的耐腐蚀性能和优良的制造性能是任何传统不锈钢都无法比拟的，但它也有局限性。
在具有高温的非常激进的环境中，高氯化物和酸性条件，Al-6xn可以容易受到蚀，缝隙腐蚀和应力腐蚀裂缝。
在对al-6xn的环境过于苛刻的环境中，哈氏C-22是一个很好的替代品，提供耐腐蚀性的大幅增加。
C-22是镍合金，几乎是镍和钼的量，作为Al-6xn铬的含量也差不多。它还含有3.5%的钨，以进一步提高抗氯化物腐蚀的能力。它具有高的延展性，良好的焊接性，并且很容易制作成工业部件。
设计忍受极端腐蚀条件，C-22提供优越的保护，从点蚀和缝隙腐蚀，应力腐蚀开裂高浓度氯化物/高温溶液，和无机酸。
无机酸是一组具有腐蚀性的无机酸，包括盐酸、硝酸和硫酸。例如，在食品、饮料、家庭和个人护理、制药和化学工业中，为了各种目的使用盐酸，包括:
- 可作为调节水、食品、药品pH值的添加剂
- 用于生产明胶、果糖、柠檬酸、赖氨酸、阿斯巴甜和水解植物蛋白
- 在家用清洁产品中，如消毒剂和瓷砖清洁剂
- 制造无机化合物
- 净化食盐
无机酸的腐蚀性有时是产品有效性的原因比如厕所清洁剂和除垢产品家用电热水壶和熨斗——以及这些产品含有它们的原因。但是，使这些产品发挥作用的腐蚀性特征，也是对制造它们的设备产生极端和持续需求的原因。
次氯酸钠，常用于清洁和消毒加工设备，也非常苛刻。家庭漂白剂约为5.25％的次氯酸钠。次氯酸盐离子（OCL-）具有高度侵蚀性，并将在室温下在5％溶液中导致大多数不锈钢等级的点击和缝隙腐蚀。在较高的温度下，可能发生应力腐蚀。
C-22对氧化和还原环境也有很强的抵抗力。高铬含量(20%-22.5%)能提高湿氯等氧化介质的耐腐蚀性，因为它能形成并维持一层保护层。C-22含有约3.5%的钨，它提供了优越的抗还原环境的能力。AL-6XN和标准钢都不含钨。C-22的钼含量也可以防止环境的降低——它包括12.5%到14.5%的钼，大约是AL-6XN的两倍，316不锈钢的三到四倍。
表1:哈氏合金C-22, AL-6XN和316L的化学成分
| C-22. | AL-6XN | 316升 | |
|---|---|---|---|
| 镍 | 剩余(~ 56) | 23.5 - -25.5 | 10.00-14.00 |
| 钴 | 2．5 | - | - |
| 铬 | 20.00 - -22.50 | 20.00 - -22.00 | 16.00 - -18.00 |
| 钼 | 12.50 - -14.50 | 6.00 - -7.00 | 2.00-3.00. |
| 钨 | 3.50 | - | - |
| 铁 | 2.00 - -6.00 | 剩余部分 | 剩余部分 |
| 硅 | 0.08 | 1.00 | 0.75 |
| 锰 | 0.50 | 2．00 | 2．00 |
| 碳 | 0.015 | 0.03 | 0.03 |
| 库珀 | 0.50 | 0.75 | - |
| 钒 | 0.35 | - | - |
| 磷 | 0.02 | 0.04 | - |
| 硫 | 0.02 | 0.03 | 0.03 |
| 氮 | - | 0.18 - -0.25 | 0.10 |
注意：除非另有说明，否则表中的所有值都可以最大限度地允许
C-22和Al-6xn：选择合适的合金
选择合适的耐腐蚀高温合金是高纯度卫生级加工设备工程设计的重要组成部分。材料必须具有足够的耐腐蚀性，以承受使用环境和清洗方案。如果他们没有，系统将容易受到使用寿命，意外停工，增加维护成本和安全危险。
选择一个超合金材料(比条件要求更高的耐腐蚀性)可能会增加项目成本，但有一个安全裕度也可以保护您在意外或有意的变化，在生产过程中施加更激进的条件。
那么，您如何知道您的工艺要求何时意味着从316/316L不锈钢转向AL-6XN或C-22 -以及哪个是适合您的情况的?
大量的化学物质、温度和ph值，在无限的组合中，表征了卫生和高纯度的加工环境，使其具有挑战性的解决所有情况下的选择指南。
但是，最广泛遇到的腐蚀性环境涉及携带抗氯含水溶液在附近的中性pH值。在氯化物存在的情况下，不锈钢最容易在暴露的表面上发生点蚀和在密闭空间中的缝隙腐蚀。环境变得更具腐蚀性，在裸露的表面产生点蚀和缝隙腐蚀的可能性增加:
- 氯化物含量上升
- 温度上升
- 下降的pH值
- 氧化条件，如遇到氧化消毒剂如氯或臭氧。
第一步-评估应力腐蚀开裂风险
评估应力腐蚀裂缝的可能性很简单，因为应力腐蚀裂缝可能导致快速灾难性系统失败，这是确定合适材料的第一步。
氯化物、拉伸应力和超过50°C/122°F的使用温度的组合会导致316/316L不锈钢的应力腐蚀开裂，在没有经过合格的腐蚀专家对您的工艺需求和要求的彻底审查之前，不应该使用它。
当有压力腐蚀裂缝的风险时，Al-6xN是316 / 316L的优异替代方案。
AL-6XN的开裂门槛温度远远高于316/316L不锈钢，这取决于氯化物含量。
即使在氯浓度最高的情况下(高达100,000毫克/升- 10%的氯溶液)，Al-6XN将在高达约120°C / 250°F的温度下抵抗裂缝。当使用条件涉及氯离子水平和温度，使AL-6XN面临开裂风险时，C-22是正确的选择，它对氯离子应力腐蚀开裂免疫。
第二步-评估点蚀和裂缝腐蚀风险
评估压力腐蚀裂缝的风险后，查看处理环境中可能出现的点蚀和裂缝腐蚀。在接近中性的pH值环境中，可以使用最高使用温度和氯化物水平。
因为裂缝腐蚀比点腐蚀更容易发生，所以知道系统中是否有裂缝是非常重要的——通常很难消除所有的裂缝。除非您确定系统是无缝隙，否则建议根据缝隙腐蚀阈值选择您的施工材料。
下面的表2给出了316/316L不锈钢和6% Moly超奥氏体级(如AL-6XN)在不同氯化物浓度下引发点蚀和缝隙腐蚀的阈值温度。这表明如果提出服务环境最大的氯化物含量1000 mg / l氯化温度和最大服务40°C / 100°F, 316/316L年级料坑和缝隙腐蚀,因为阈值温度缝隙腐蚀和点蚀氯化1000 mg / l远远低于40°C / 100°F。
在这些条件下，Al-6XN是一个很好的候选者，因为在40°C / 100°F下，它会抵抗缝隙腐蚀和蚀地抵抗氯化物水平。
表2：用于启动点蚀和缝隙腐蚀的阈值温度
| 氯浓度(毫克/升) | 316 / 316L：阈值缝隙。临时 | 316 / 316L：阈值点拍温度 | 6% Moly SST:门槛缝隙Cor. Temp | 6%的钼SST -阈点蚀温度 |
|---|---|---|---|---|
| 31 | 100°C / 212°F | |||
| 40 | 95°C / 203°F | |||
| 80 | 75°C / 167°F | |||
| 160 | 100°C / 212°F | |||
| 200 | 50°C / 122°F | 86°C / 187°F | ||
| 600 | 20°C / 68°F | 40°C / 104°F | ||
| 800 | 30°C / 86°F | |||
| 1,000 | 20°C / 68°F | |||
| 2，000 | 83°C / 181°F | |||
| 8，000 | 50°C / 122°F | 85°C / 185°F | ||
| 10，000 | 47°C / 117°F | 77°C / 171°F | ||
| 20，000 | 30°C / 86°F | 43°C / 110°F | ||
| 30，000 | 20°C / 68°F | 25°C / 77°F |
数据来自Outokumpu腐蚀手册，第十版，Outokumpu不锈钢，2009
如果您发现一种材料不太可能在您的工艺环境中出现坑，但可能容易受到缝隙腐蚀，如果您可以验证您的系统是无缝隙的，那么您仍然可以使用该材料。
当你的环境对AL-6XN来说过于恶劣时，例如在50°C/122°F下20000毫克/升的氯化物，是时候考虑使用C-22了。
C-22具有出色的抗性对局部腐蚀性，并且已被证明抵抗高达55°C / 131°F的缝隙腐蚀，并且在6％的氯化铁溶液中蚀刻腐蚀，可达100°C / 212°F，这对应于a氯化物含量为39,000 mg / L和pH值约2。
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