耐硫酸腐蝕材料的選用

由于硫酸的強烈腐蝕性，使生產硫酸和使用硫酸的設備造成了嚴重的腐蝕。為了防止或減輕這種腐蝕，保證生產的順利進行，各種硫酸設備的材料必須根據硫酸的腐蝕特性以及各種材料的耐蝕性能進行正確的選擇和合理的使用。 

一、硫酸的腐蝕特性
硫酸主要是用接觸法和鉛室法生產的。硫或硫化物，如硫化銅礦石經過燃燒生成二氧化硫，在氧和催化劑的作用下，二氧化硫變成了三氧化硫，三氧化硫溶介于水即得硫酸。當硫酸濃度大于100%，并含有游離三氧化硫氣體時被稱為發煙硫酸。例如含有20%游離三氧化硫氣體的酸被稱為20%發煙硫酸或104.5%硫酸。

稀硫酸是一種非氧化性酸，隨著濃度的提高，硫酸就會變成氧化性酸，它可以被還原成二氧化硫。因此濃硫酸可以使鋼和鐵鈍化，使普通鋼鐵在濃硫酸中成為耐蝕。但是硫酸會吸收空氣中的水份，一旦硫酸被稀釋到68%以下濃度時，碳鋼和鑄鐵的設備就會受到嚴重的腐蝕。在非氧化性的稀硫酸中，鋼和鐵不能通過在表面生成氧化膜而鈍化。氧和其他氧化劑的存在會改變稀硫酸的腐蝕特性。但是在濃硫酸中，由于濃硫酸本身是一種氧化劑，因此氧和氧化劑就不會改變濃硫酸對金屬的腐蝕特性，正如不銹鋼在硝酸中那樣不受通氧或不通氧的影響。
 
二、碳素鋼的耐硫酸腐蝕特性
碳素鋼廣泛地被用作室溫下濃度大于70%的硫酸設備，如貯槽、管線、槽車和船倉等。通常盛裝78%、93%、 98%的硫酸和發煙硫酸。圖1表示碳素鋼在濃硫酸中硫酸濃度和溫度對腐蝕率的影響。等腐蝕曲線顯示，在硫酸濃度為101%附近，曲線明顯下凹，表明此處腐蝕迅速增加，選用碳素鋼時要特別注意。在硫酸濃度85%附近，曲線也稍有下凹，表明此處腐蝕稍有增加。曲線的虛線部分表示數據不足，曲線位置多少是帶有推測性的。圖1也表明，不論在什么溫度下，在小于65%的硫酸中，碳素鋼是不能使用的。溫度在65℃以上時，不論硫酸濃度多大，碳素鋼一般也不能使用。

較高的流動速度會增加硫酸對碳素鋼的腐蝕，如碳素鋼制的泵使用壽命很短，但是每秒幾英尺的流動速度，似乎還不會改變它的腐蝕特性。固體懸浮物會引起碳素鋼的磨損腐蝕。

充空氣對碳素鋼在濃硫酸中的腐蝕影響很小，因為濃硫酸本身是氧化性的。但是發現“空氣泡”對通濃硫酸的管線卻有破壞作用。例如一根通93%硫酸的碳素鋼管線，使用一段時間后發現沿著管子內壁的頂部出現溝槽，溝槽深而銳利，而在管子的其他內表面上幾乎沒有腐蝕。這顯然是由沿著管子內壁上方浮動的“空氣泡”引起的?？諝馐峭ㄟ^泵的墊料處吸入，并隨著流動的硫酸進入系統內部、這種“空氣泡”的破壞作用可以通過排出空氣或防止空氣從泵、閥等處進入管線而得到克服。


碳素鋼在濃硫酸中使用，因焊接等原因受熱后，在局部地區會出現“牛皮癬”腐蝕，這是由于珠光體組織受熱后球化引起的，將碳鋼經850℃左右的正火處理后可以防止“牛皮癬”腐蝕的發生。


三、低合金鋼的耐硫酸腐蝕特性
低合金鋼在硫酸中的耐蝕性大體和碳素鋼相似，但是含銅或含鉬的某些低合金鋼在室溫稀硫酸中的耐蝕性有所提高。例如09CuWSn鋼在室溫稀硫酸中具有比普通碳素鋼好得多的耐蝕性，在濃硫酸中的耐蝕性和普通碳素鋼相似。

四、鑄鐵的耐硫酸腐蝕特性

普通鑄鐵在硫酸中的耐蝕性和普通碳素鋼相似。但是灰鑄鐵在濃硫酸中會發生開裂現象。這是因為酸能夠沿著連續的片狀石墨組織滲入鑄鐵內部，使鑄鐵內部發生腐蝕(公眾號:泵管家)。由于腐蝕產物體積增大，而使局部產生很高的應力。隨著腐蝕產物的增加，局部內應力不斷增加，最后導致鑄鐵開裂損壞。因此在硫酸中普通灰鑄鐵通常不宜采用。如果通過熱處理，使連續的片狀石墨組織變成不連續的球狀組織，這樣硫酸就不會滲入鑄鐵內部，從而就可以防止鑄鐵在硫酸中發生開裂現象。因此，所謂可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵或延性鑄鐵在硫酸中就具有較好的使用性能。


鑄鐵和碳鋼一起在100%左右的硫酸中使用時，可能會發生電偶腐蝕。由于鑄鐵較脆以及考慮到安全等的原因，因此在可能的條件下應該寧用碳鋼而少用鑄鐵。

 
五、高硅鑄鐵的耐硫酸腐蝕特性：
高硅鐵的典型成份為含碳0.95%，含硅14.5%，其余為鐵。從成份看，似屬于鋼，從組織和性能來看，它和鑄鐵相似，所以通常稱為高硅鑄鐵。它不含鉻和鎳等貴重合金元素，并且有很好的耐蝕性能。在硫酸中，從0~100%的濃度中，它具有比所有其他工程合金更好的耐蝕性，因此廣泛地被用于硫酸介質中。但是高硅鑄鐵硬而脆，難以加工，只能鑄造。在使用中對溫度變化很敏感，激冷激熱也會開裂損壞，受機械振動或沖擊時也較易開裂，因此制造、安裝、使用都必須特別小心。但是，因為它硬，所以很耐磨，特別適宜在含有固體懸浮物或固體雜質的硫酸中使用。


六、鉛的耐硫酸腐蝕特性：
鉛被廣泛地用于稀硫酸中，在70%以下的硫酸中，鉛具有很好的耐蝕性，但是在濃硫酸中則不行。這種情況正好和碳鋼相反(圖3)。
圖4是含銅0.06%的鉛的等腐蝕圖。它表明在低濃度硫酸中，鉛幾乎不受腐蝕，但隨著溫度和濃度的增加，腐蝕率增加了。在90%以上的濃硫酸中鉛變得很不耐蝕，這顯然是因為在稀硫酸中具有保護作用的硫酸鉛表面膜在濃硫酸中被溶介而引起的。

高純鉛在稀硫酸中具有較好的耐蝕性，但是它軟而強度低，蹄鉛在濃硫酸中具有較純鉛好的耐蝕性，但在稀硫酸中不及純鉛好。含銻4~5%的鉛通常被稱為硬鉛，具有比純鉛較高的機械強度，適宜制作鑄件等，但是這種“高強度”在溫度高達87℃時即便消失，甚至變得比純鉛還低。另外“硬鉛”的耐蝕性也沒有純鉛好，這在選用時必須注意，特別在高溫下使用的設備更要注意。
 
由于鉛軟而易于磨損，因此高速酸或含有固體雜質的介質往往會破壞其表面的硫酸鉛保護膜，使鉛加速腐蝕，所以鉛不宜制作泵，也很少用作閥。襯鉛的容器，在高溫或帶有磨損的條件下，常常用內襯耐酸磚的辦法來保護。


七、鉻鎳鉬銅合金的耐硫酸腐蝕特性
鉻鎳鉬銅合金是專門發展用于硫酸中的合金，國外著名的牌號Durimet20(達里美)、Esco20(依斯科)、Carpenter20(卡品脫)(鍛態)、FA-20等。由于它們之間的成份和性能相似，并都用20序號，因此通常統稱為20號合金。該類合金都是奧氏體組織(公眾號:泵管家)，具有和18-8鉻鎳不銹鋼相似的機械性能。在國內，這類合金的牌號有OCr23 Ni28Mo3Cu3Ti；OCr20Ni24 Mo3Si3Cu2；OCr12Ni25Mo3 Cu3Si2Nb等。
 
圖5表示達里美20號合金在硫酸中的等腐蝕圖。聲圖可知該合金不同于鉛和碳鋼，它在整個硫酸濃度范圍內都有較好的耐蝕性。在78%左右的硫酸中，曲線向下凹，表明該合金腐蝕率在此附近較大。硫酸鐵和硫酸銅在硫酸中對20號合金起緩蝕劑的作用，使腐蝕率降低。而氯化鐵和氯化亞銅在硫酸中，當濃度較高時會使20號合金發生點腐蝕。


八、鎳鉬合金和鎳鉻鉬合金的耐硫酸腐蝕特性:
鎳鋁合金有鑄造的Chlorimet2號(開羅里美)和可以鑄造或鍛造的Hastelloy B(哈斯特羅依)合金等。它們大致由三分之二的鎳和三分之一的鉬組成。經過固溶熱處理后可以得到最好的耐蝕性能。圖6為開羅里美2號合金和哈斯特羅依B合金在硫酸中的等腐蝕圖。
 
它顯示了該類合金在硫酸中具有良好的耐蝕性能。在8%以下的高溫稀硫酸中耐蝕性稍差。這類合金在使用中要注意雜質的影響，特別是氧化性雜質，如硝酸、氯氣、次氯酸鹽、氯化亞銅、氯化鐵、硫酸鐵以及通空氣等的影響，它們往往會加速這類合金的腐蝕，使壽命縮短。這類合金可以時效硬化，但時效常常會使合金變脆，并使耐蝕性降低。
 

九、不銹鋼的耐硫酸腐蝕特性
普通不銹鋼通常不用于接觸硫酸的設備上，18-12Mo型不銹鋼偶爾被用于室溫含很稀的硫酸的介質中，或者是含有氧化性成份的稀硫酸溶液中。由于不銹鋼在硫酸中耐蝕性不穩定，要獲得可靠的數據并制成腐蝕圖是比較困難的。

在室溫濃硫酸中，不銹鋼具有尚好的耐蝕性，但在通常的情況下，寧可采用碳鋼而不采用不銹鋼。除非介質要求防止鐵離子污染時，或者是在101%左右硫酸中碳鋼不能使用時，才能選用不銹鋼。鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻鎳鉬不銹鋼相似，在室溫濃硫酸中具有較好的耐蝕性，隨著溫度的升高腐蝕率也明顯升高。在60℃以上的濃硫酸中，使用壽命較短，不宜采用。


十、銅合金的耐硫酸腐蝕特性
銅及銅合金在還原性的稀硫酸中是十分穩定的，因為它們具有較氫高得多的電極電位，在稀硫酸中就不易發生折氫腐蝕反應，這就使得銅及銅合金在稀硫酸中具有較其他工程合金好得多的耐蝕性。但是銅及銅合金對氧化性雜質很敏感，當稀硫酸中含有氧、硝酸、鉻酸、氯氣、次氯酸鹽、氯化亞銅、氯化鐵、硫化鐵以及氨與氨鹽時都會加速銅及銅合金的腐蝕。在具有氧化性的濃硫酸中銅及銅合金也不耐蝕。
在敞口的稀硫酸設備中，銅及銅合金在水線處會發生嚴重的腐蝕。錫青銅在60%以下濃度、80℃以下溫度的硫酸中可以使用。硅青銅(Everdur)具有比錫青銅稍好的耐蝕性。鋁青銅在稀硫酸中使用效果較好，這不僅是因為它比較耐磨損腐蝕，而且它對氧化性條件也不如前面所述銅合金那樣敏感。圖8是含鋁10%的鋁青銅的等腐蝕圖。由圖可知，在40%以硫酸中，即使到沸點，鋁青銅也有良好的耐蝕性。