耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼板的標(biāo)準(zhǔn)制定分析

孫根領(lǐng)

（濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司 科技質(zhì)量部，山東 濟(jì)南250101）

1 前言

冶金、電力、石化以及煙草等工業(yè)領(lǐng)域，在以重油或燃煤為主要燃料的煙氣處理系統(tǒng)中，燃料中含硫量偏高，其燃燒廢氣中的二氧化硫有一部分氧化成三氧化硫，此三氧化硫可以和廢氣中的水蒸氣結(jié)合成硫酸蒸氣，在處理系統(tǒng)的低溫（100～160℃）部位，如引風(fēng)機(jī)擋板、省煤器、集塵器、空氣預(yù)熱器、煙道和煙囪等處結(jié)露成硫酸液體，對(duì)設(shè)備造成腐蝕。這種在露點(diǎn)溫度下形成硫酸而造成設(shè)備腐蝕的現(xiàn)象，稱之為“硫酸露點(diǎn)腐蝕”。這種腐蝕環(huán)境不但對(duì)普通鋼有腐蝕，對(duì)不銹鋼也會(huì)造成劇烈的腐蝕，對(duì)設(shè)備危害相當(dāng)嚴(yán)重。人們嘗試多種途徑解決部件耐腐蝕問(wèn)題，如采用硼硅玻璃管、搪瓷或非金屬涂料等。這些措施雖可在一定程度上避免傳熱構(gòu)件的硫酸露點(diǎn)腐蝕，但施工難度大，同時(shí)影響換熱效率。采用具有耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能的低合金鋼制作部件作為一個(gè)較好的解決方案被廣泛接受。

2 耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼的研發(fā)及應(yīng)用情況

20世紀(jì)80年代中期，日本新日鐵株式會(huì)社通過(guò)在鋼中加入Cu、Sb，研制生產(chǎn)了耐硫酸腐蝕鋼S-TEN1，后來(lái)又開發(fā)了耐硫酸、鹽酸腐蝕鋼新S-TEN2，1995年日本住友公司也研制生產(chǎn)了耐硫酸腐蝕鋼CRIA，并向我國(guó)很多企業(yè)推廣使用。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用證明，日本研發(fā)的鋼種，更適應(yīng)其本國(guó)的實(shí)際情況，在我國(guó)不能達(dá)到理想的耐腐蝕效果。濟(jì)鋼根據(jù)國(guó)內(nèi)的需求，于1990年研制出了12MnCu-Cr“耐硫酸露點(diǎn)”鋼板，并被當(dāng)時(shí)的電力部華北電力設(shè)計(jì)院采用，用于河北三河電廠。隨后在山東地區(qū)內(nèi)諸多電力、化工企業(yè)建設(shè)工程中，用于制造煙道、鋼煙囪、乙烯裂解爐、空氣預(yù)熱器、鼓風(fēng)機(jī)等，并取得令人滿意的效果。1993年，上鋼三廠等8家單位共同研制開發(fā)出了NS1-1、NS1-2（10CrMnCu）耐硫酸腐蝕用鋼，在國(guó)內(nèi)火電廠廣泛應(yīng)用，并出口印尼。

2004年濟(jì)鋼在吸取S-TEN1、S-TEN2和CRIA鋼和前期國(guó)內(nèi)“耐硫酸露點(diǎn)鋼”經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又成功研制了更新產(chǎn)品JNS耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼，逐步應(yīng)用于電廠煙囪、空氣預(yù)熱器等領(lǐng)域，應(yīng)用取得了更加良好的耐腐蝕效果。其他鋼廠也先后研發(fā)了等同類型耐硫酸露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)品，如攀鋼的PNS、柳鋼的LGNS、馬鋼的MNS以及武鋼的WNS系列等。

3 耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼的標(biāo)準(zhǔn)化需求

雖然耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼產(chǎn)品最新成果已得到了應(yīng)用并被廣泛認(rèn)可，但是，由于目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)對(duì)產(chǎn)品牌號(hào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能、耐腐蝕性能以及檢驗(yàn)等方面的規(guī)定各不相同，在市場(chǎng)應(yīng)用當(dāng)中，供需雙方要對(duì)具體內(nèi)容進(jìn)行協(xié)商簽訂技術(shù)協(xié)議，十分不便。這對(duì)新耐硫酸露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)品的進(jìn)一步推廣，尤其對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的選材造成不利影響。盡快制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用鋼產(chǎn)品主要技術(shù)要求，已顯得十分重要。在這種情況下，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì)于2010年下發(fā)了制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)。

4 標(biāo)準(zhǔn)制定的原則及主要技術(shù)內(nèi)容

4.1 標(biāo)準(zhǔn)制定的原則

耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定主要原則為：1）結(jié)合市場(chǎng)實(shí)際情況，滿足用戶需求。標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中廣泛征求生產(chǎn)企業(yè)和用戶意見(jiàn)。2）完善國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系。即在擁有耐大氣腐蝕鋼、耐海水腐蝕鋼標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。3）推廣先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)。在遵循上述原則的基礎(chǔ)上，確定標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍及主要技術(shù)內(nèi)容。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)的范圍及牌號(hào)設(shè)置

在范圍方面，明確規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)僅適用于制造電廠煙囪、空氣預(yù)熱器、脫硫裝置以及煙草行業(yè)烤房，厚度≯40 mm的鋼板（對(duì)于鋼帶及其剪切鋼板，最大厚度為25.4 mm）。該范圍涵蓋目前耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼板已應(yīng)用的所有領(lǐng)域，能滿足市場(chǎng)需求。

在牌號(hào)設(shè)置方面，因?yàn)槟壳笆袌?chǎng)實(shí)際只存在315 MPa和345 MPa兩個(gè)屈服強(qiáng)度等級(jí)的產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)將牌號(hào)分別設(shè)置為Q315NS、Q345NS。目前可滿足市場(chǎng)需求，但與同類標(biāo)準(zhǔn)如耐大氣腐蝕鋼標(biāo)準(zhǔn)相比，標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)稍顯單一。

4.3 主要技術(shù)內(nèi)容

4.3.1 化學(xué)成分

低合金耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼的耐蝕性由其鈍化特性決定，故嚴(yán)格控制合金化學(xué)成分，合理配比添加合金元素及保證化學(xué)成分的均勻性是保證其耐腐蝕性的根本前提條件。但在成分設(shè)計(jì)過(guò)程中，不但要保證鋼板的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能，同時(shí)也要保證鋼板的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)以及合金元素成本對(duì)產(chǎn)品最終推廣的影響。在已應(yīng)用的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕低合金鋼的化學(xué)成分中，較重要的抗蝕合金元素是Cu、Cr、Sb等元素。綜合了解國(guó)內(nèi)外耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼的發(fā)展情況，耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼的元素控制主要確定為五大元素及Cu、Cr、Sb元素，標(biāo)準(zhǔn)成分范圍確定如下：

C。C是主要的強(qiáng)化元素，在保證機(jī)械性能的情況下，含C量應(yīng)偏下限，以減少鋼中Cr的碳化物形成，從而充分發(fā)揮Cr的耐蝕作用。在氧化性酸中，當(dāng)C含量＜0.4%時(shí)，隨C含量增加，鋼的耐蝕性提高，但與Cu共存時(shí)，C又使鋼的耐蝕性稍許降低，低C含Cu鋼的耐蝕性能最為優(yōu)異；同時(shí)考慮到鋼的可焊性。故標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定C含量不宜＞0.15%。

Si。Si是固溶強(qiáng)化元素，對(duì)于強(qiáng)度要求不太高的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)含Si量宜不超過(guò)0.50%，從而減少焊接時(shí)的飛濺。

Mn。隨著鋼中Mn含量的提高，其腐蝕產(chǎn)物中Mn含量也提高，且腐蝕產(chǎn)物經(jīng)過(guò)等離子水浸泡后，水中有溶解的Mn和S，而Cu、Cr、Ni、V等元素很難溶解。由于錳化合物的溶解致使銹層有微細(xì)孔洞，不利于銹層的保護(hù)作用，故Mn含量在確保強(qiáng)度基礎(chǔ)上不宜過(guò)高。

P、S。為保證可焊性和Cu耐蝕作用的發(fā)揮，有害元素P、S應(yīng)盡可能的低，同時(shí)考慮成本，選擇0.035%作為P、S的標(biāo)準(zhǔn)上限比較合適。

Cr。Cr在高溫（＞200℃）下可提高鋼的耐硫酸特性，同時(shí)Cr含量的提高，能保證鋼的強(qiáng)度和耐蝕性，兼顧成本及國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)企業(yè)成分設(shè)計(jì)特點(diǎn)的情況，標(biāo)準(zhǔn)確定Cr的范圍為0.30%～1.20%。

Sb。在國(guó)外耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼中一般都加入一定量的Sb，但Sb不宜過(guò)高，Sb含量偏高則鋼的焊接性能變差，同時(shí)會(huì)影響鑄坯質(zhì)量。故標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其含量上限作出限制。

Cu。Cu的耐蝕機(jī)理是當(dāng)鋼鐵溶于硫酸中時(shí)，硫化鐵或硫化錳溶解產(chǎn)生有害的硫化氫，但是鋼中的銅合金可抑制這種效應(yīng)，但Cu含量過(guò)高，不但不會(huì)再增加耐蝕性，而且還會(huì)產(chǎn)生熱脆性。在已完成研發(fā)的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)品中，Cu含量上限均限定為0.50%，下限為0.25%或0.20%。作為標(biāo)準(zhǔn)限定值，限定Cu含量在0.20%～0.50%較為適宜。

此外，Ni在鋼中能提高其耐蝕性和韌性，并防止Cu造成的網(wǎng)裂，提高鋼材的表面質(zhì)量。但Ni屬國(guó)家戰(zhàn)略資源，是影響耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼成本的主要因素，故標(biāo)準(zhǔn)不將Ni作為主要元素進(jìn)行規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)最終確定的化學(xué)成分如表1所示。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及橫向拉伸性能

同時(shí)，為保證材料的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕性能、優(yōu)良焊接性能和強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)允許企業(yè)根據(jù)各自工藝特點(diǎn)，選擇加入Nb、Ti、V、Al、Ni等其他合金元素。

4.3.2 機(jī)械性能

目前國(guó)內(nèi)耐硫酸露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)品市場(chǎng)上，多數(shù)為315 MPa級(jí)，鞍鋼有少量345 MPa級(jí)。按照市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，標(biāo)準(zhǔn)確定315 MPa和345 MPa作為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度級(jí)別，拉伸性能具體參數(shù)見(jiàn)表1。同時(shí)，為確保鋼板具有良好的工藝加工性能，標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)鋼板進(jìn)行冷彎試驗(yàn)，試樣寬度為b=2a（且b≥20 mm），彎芯直徑為3倍的產(chǎn)品厚度，在進(jìn)行180°冷彎后試樣基體不得出現(xiàn)裂紋。上述指標(biāo)為生產(chǎn)企業(yè)長(zhǎng)期供貨過(guò)程中采用的指標(biāo)，已被證明能夠滿足用戶需求。

考慮到耐硫酸露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)品主要應(yīng)用環(huán)境溫度在40℃以上，所以標(biāo)準(zhǔn)不需要對(duì)產(chǎn)品的沖擊韌性進(jìn)行規(guī)定，如客戶有需求，可在訂貨時(shí)單獨(dú)提出。

4.3.3 耐腐蝕性能

由于產(chǎn)品的耐腐蝕試驗(yàn)通常耗時(shí)較長(zhǎng)，一般通過(guò)化學(xué)成分判斷，但由于各種原因，即便是同一成分范圍，不同廠家的產(chǎn)品其耐腐蝕性能也往往略有差異。為便于供需雙方在合作過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的耐腐蝕性能進(jìn)行橫向比較和評(píng)價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)參考國(guó)家煙草專賣局辦公室關(guān)于印發(fā)的《密集烤房技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，以資料性附錄的方式提供了一種替代式的耐腐蝕性能評(píng)價(jià)方法：按照GB/T 10124規(guī)定的試驗(yàn)方法，在溫度20℃、硫酸濃度20%、全浸24 h條件下，腐蝕速率為10 mm/a［0.89 mg/（cm2·h），相對(duì)于Q235B腐蝕速率為30%］；在溫度70℃、硫酸濃度50%、全浸24 h條件下，平均腐蝕速率為≯250 mm/a［22.4 mg/（cm2·h），相對(duì)于Q235B腐蝕速率為50%］。該方法同時(shí)給出了腐蝕速率的絕對(duì)值和與Q235B的相對(duì)值，比《密集烤房技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定更方便。

4.3.4 表面質(zhì)量

表面狀況也是影響產(chǎn)品耐腐蝕性能的因素之一，因此對(duì)鋼板表面的完整性進(jìn)行規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼板表面不得有氣泡、結(jié)疤、裂紋、夾雜、折疊。鋼板不得有分層。如有上述缺陷允許清除，清除的深度不得超過(guò)鋼材厚度公差之半，其他不影響使用的缺陷允許存在，但均應(yīng)保證鋼材的最小厚度。清除處應(yīng)圓滑無(wú)棱角。

4.3.5 內(nèi)部質(zhì)量

由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼板的最大厚度僅到40 mm，以目前國(guó)內(nèi)裝備及工藝情況，產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量完全能夠滿足一般用戶要求。但為滿足用戶更高要求，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可對(duì)鋼板逐張進(jìn)行超聲波探傷，檢測(cè)方法執(zhí)行GB/T 2970的規(guī)定，經(jīng)雙方協(xié)商，也可采用其他檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，具體檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和合格級(jí)別應(yīng)在合同中注明。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前耐硫酸露點(diǎn)腐蝕用鋼板標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì)審批，將于2013年5月1日正式實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)是在參考了國(guó)內(nèi)外主要耐硫酸露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)品研發(fā)情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合市場(chǎng)實(shí)際及需求發(fā)展方向，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化原則制定的。標(biāo)準(zhǔn)范圍能夠滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，且符合用戶適用習(xí)慣，標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)適合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況。標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)國(guó)內(nèi)耐硫酸露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)品的規(guī)范化以及耐硫酸露點(diǎn)腐蝕產(chǎn)品的推廣、應(yīng)用提供了基礎(chǔ)支撐。但是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度級(jí)別相對(duì)較少，且兩個(gè)級(jí)別差別較小，有必要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用情況確認(rèn)是否對(duì)鋼板的強(qiáng)度級(jí)別做進(jìn)一步優(yōu)化。