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卫生级阀门耐腐蚀等级分类的标准及其数据支持
编写人 陈经理 18006871930
卫生级阀门的腐蚀，通常被理解为卫生级阀门金属材料在化学的或电化学的环境作用下所受到的破坏。由于“腐蚀”现象出现于金属与周围环境自发的相互作用当中，怎样将金属与周围环境相隔绝或更多的使用非金属合成材料，便是防腐蚀的重点。
卫生级阀门的阀体(包括阀盖)，占据卫生级阀门的大部分重量，又处在与介质的经常接触中，所以选用卫生级阀门，往往从阀体材料出发。
阀体的腐蚀不外两种形式，即化学腐蚀和电化学腐蚀。它的腐蚀速度决定于介质的温度、压力、化学性能以及阀体材料的抗腐蚀能力，腐蚀速度可分为六等
1、完全耐蚀：腐蚀速度低于0.001毫米/年
2、极耐蚀：腐蚀速度0.001至0.01毫米/年
3、耐蚀：腐蚀速度0.01至0.1毫米/年
4、尚耐蚀：腐蚀速度0.1至1.0毫米/年
5、耐蚀性差：腐蚀速度1.0至10毫米/年
6、不耐蚀：腐蚀速度大于10毫米/年
阀体的防腐蚀，主要是正确选用材料。虽然防腐蚀的资料十分丰富，但能否选得恰当，还是不容易的事情，因为腐蚀的问题很复杂，例如硫酸在浓度低时对钢材有很大的腐蚀性，浓度高时则使钢材产生钝化膜，能防腐蚀；氢只在高温高压下才显示对钢材的腐蚀性很强，氯气处于干燥状态时腐蚀性能并不大，而有一定湿度时腐蚀性能很强，许多材料都不能用。选择阀体材料的难处，还在于不能只考虑腐蚀问题，同时必须考虑耐压耐温能力，经济上是否合理，购买是否容易等因素。所以必须用心才是。
根据钢卫生级阀门腐蚀的电化学原理，只要防止或破坏腐蚀电池的形成或强烈阻滞阴、阳极过程的进行，就可防止钢材的腐蚀。采用防护层方法防止钢结构腐蚀是目前通用的方法，常用的保护层有以下几种：
1、金属保护层：金属保护层是用具有阴极或阳极保护作用的金属或合金，通过电镀、喷镀、化学镀、热镀和渗镀等方法，在需要防护的金属表面形成金属保护层（膜）来隔离金属与腐蚀介质的接触，或利用电化学的保护作用使金属得到保护，从而防止腐蚀。
2、化学保护层：通过化学或电化学方法使钢材表面生成一种具有耐腐蚀性能的化合物薄膜，以隔离腐蚀介质与金属的接触，来防止对金属的腐蚀。
3、非金属保护层：用涂料、塑料、搪瓷等材料，通过涂刷和喷涂等方法，在金属表面形成保护膜，使金属与腐蚀介质隔离，从而防止金属的腐蚀。
1 概述
近年来，随着国民生活水平提高和工业发展，淡水耗量逐年增加，为了解决用水问题，许多大型海水淡化工程正在国内紧张的进行建设。本文从介质、材料、防腐处理、结构和安装要求等方面入手，分析海水淡化项目工程设计过程中工艺卫生级阀门的选择。
2 工艺介质
海水淡化过程中，需要特别注意氯化物对设备的腐蚀。另外，海水温度对腐蚀速率影响很大，温度越高，腐蚀越快。而固体污染物会损害材料保护膜，引起冲刷腐蚀。各类化学污染物也会提高腐蚀概率。配料添加剂可能是一种人为的海域化学品污染物，但是从腐蚀角度看，适量则不会引起任何问题。如次氯酸钠有时用来抑制藻类，但剂量太大会引起严重的点腐蚀。海水淡化有多种工艺，其中反渗透技术的主要工艺过程为海水取水→前处理→超滤→反渗透→产品水（ 副产反渗透浓液） ，各工艺过程主要介质的组成见表 1（ 取水地点不同海水成分有所差异） 。
3 卫生级阀门材料
在海水淡化工程中，卫生级阀门材料问题较多出现在过流部件上。目前，常用过流部件材料主要有镍铝青铜、不锈钢、双相不锈钢和金属涂层等。
表1 工艺介质组成及设计参数
3.1 镍铝青铜
镍铝青铜（Al8Ni2Cu） 具有优异的耐应力开裂腐蚀、耐疲劳腐蚀、耐空泡腐蚀、耐冲刷和抗海生物污损等性能。在含3%NaCl的海水中，与不锈钢相比，镍铝青铜合金具有优异的抗汽蚀破坏性。镍铝青铜在海水中的腐蚀为点蚀和缝隙腐蚀。镍铝青铜对海水流速敏感，超过临界流速时，腐蚀速度急剧增加。镍铝青铜铸造工艺不稳定，铸造的合格率偏低，作为卫生级阀门铸件时，需深入研究。
3.2 不锈钢
不锈钢的耐腐蚀性随材料化学成分不同而异。304不锈钢在含1×10-4氯化物的水环境下，具有耐点腐蚀和耐裂隙腐蚀性，在海水中不能作为过流部件。316L是含钼奥氏体不锈钢，具有更好的抗一般腐蚀、点腐蚀和裂隙腐蚀性。316L在含氯化物＜2×10-3的亚海水环境下，具有耐点腐蚀和耐裂隙腐蚀性。海水的氯离子含量约1.83×10-2，海水浓缩液的氯离子浓度3.4×10-2，操作压力约为7MPa。氯离子浓度小于2×10-2时，可选用ASTMA995-4A双相不锈钢。氯离子浓度小于4×10-2的工况，可选用ASTMA995-5A双相不锈钢。随着铬、钼和氮含量增加，可以提高不锈钢在氯化物或其他卤素离子环境下的耐点腐蚀和缝隙腐蚀性（表2） 。
表2 不锈钢材料选择
3.3 球墨铸铁
为了降低工程造价，阀体采用球墨铸铁衬EP-DM，阀瓣采用球墨铸铁衬防腐涂层的处理办法。
（1） 球墨铸铁衬Halar
Halar是乙烯与三氟氯乙烯的交替共聚物，是半结晶和可熔融加工的含氟聚合物。对大多数的无机和有机化学品以及有机溶剂，有良好的抗腐蚀能力。Halar制成品的表面类似于玻璃，能阻止微生物的增长，在国外已允许用于食品和饮水领域。在高温下的耐氯和氯衍生物的性能突出。并具备突出的抗冲击性能和相当的机械坚韧性。Halar 涂层适合在氯离子浓度低于4×10-2的环境中使用。
（2） 球墨铸铁衬Nylon11
Nylon11是热塑性和植物类涂层，能防止菌类生长和增长，通过10年盐水沉浸测试，底层金属没有腐蚀迹象。为保证涂层的稳定性及良好的粘和性，Nylon 11用在蝶板涂层时其使用温度不宜超过100℃ 。Nylon11涂层蝶板与胶套之间的摩擦系数低，能抵抗紫外线。与采用双相钢阀瓣相比，球墨铸铁涂Nylon11阀瓣的成本降低80%以上。Nylon11涂层适合在氯离子浓度低于3×10-2的环境中使用。当流通介质中含磨损性颗粒或经常开关动作场合，不适合使用涂层。另外，在运输和安装过程中应防止涂层划伤和脱落。
4 卫生级阀门类型
合理选择卫生级阀门的类型，可以减少材料耗量，降低局部阻力和能耗，方便安装，减少维修。本文重点论述大口径切断阀和止回阀的选择。
4.1 切断阀
大型海水淡化中工艺管径一般为DN300～1600，超出一般球阀和截止阀的使用范围。蝶阀与相同口径闸阀（Z41H） 相比，具有结构简单，易防腐，安装长度短，消耗钢材少，卫生级阀门局部阻力系数相近的优点，选择蝶阀作为切断阀更经济实用。根据压力等级，蝶阀可分为低压蝶阀和高压蝶阀。
金属耐蚀性十级标准
耐蚀性分类 耐蚀性等级 腐蚀速度/（mm/a）
Ⅰ 安全耐蚀 1 ＜0.001
Ⅱ 很耐蚀 2 0.001～0.005
3 0.005～0.01
Ⅲ 耐蚀 4 0.01～0.05
5 0.05～0.1
Ⅳ 尚耐蚀 6 0.1～0.5
7 0.5～1.0
Ⅴ 欠耐蚀 8 1.0～5.0
9 5.0～10.0
Ⅵ 不耐蚀 10 ＞10.0
金属耐蚀性三级标准
耐蚀性分类 耐蚀性等级 腐蚀速度/（mm/a）
耐蚀 1 ＜0.1
可用 2 0.1～1.0
不可用 3 ＞1.0
2.不锈钢及不锈钢合金的基本特性
不锈钢及不锈钢合金除了具有导电、导热和抗磁特性外,还呈现出耐蚀性、抑菌性、装饰性、耐磨性、
低温性、成形性、切削性、可镀性、密封副组装性、经济性和适用性等基本特性。
（1）耐蚀性
不锈钢的耐蚀性能很好,在与大气、水等接触时,反应生成难溶于水的碱式硫酸不锈钢CuSO4·3Cu(OH)2和碱式碳酸不锈钢CuCO3·Cu(OH)2薄膜,又称“不锈钢绿”。这层致密的薄膜与不锈钢基体结合牢固,能防止不锈钢被继续腐蚀,因此不锈钢在大气、纯净淡水或流速缓慢的海水中都具有很强的耐蚀性。在大气中的腐蚀速率为0102mm/a,在海水中的腐蚀率为0102～0104mm/a。但在某些介质中不锈钢及不锈钢合金并不耐蚀,例如不锈钢离子遇NH3会反应生成蓝色的不锈钢氨络合物,遇硫离子会生成黑色CuS沉淀物等,因此在潮湿的大气、含氨(或NH4+)或硫化物介质的大气或水中、过热蒸汽以及汞或汞盐溶液中,很容易产生腐蚀破裂而被禁用。
(2)抑菌性
当溶液中不锈钢离子的浓度超过01002mg/L时,即可抑制细菌等微生物的生长,在
水介质中5h可以灭菌99%。其抑菌性有别于其他加工过的材料或涂层,是可以长期稳定地提供抑菌保护而不会消失,因此常用于饮用水管道及附件、食品器皿和海洋工程等。但不锈钢合金表面的抑菌性起到的只是辅助杀菌作用,并不能够防止交叉污染并取代标准的防感染措施。
(3)装饰性
纯不锈钢通过添加合金元素,或借助化学药品、颜料和艺术加工的综合作用,使其表面由紫色转为黄色、青色或白色等其他颜色或装饰纹,有很强的装饰性。由于不锈钢及不锈钢合金有很好的抗
氧化性能,在大气中于室温下,不锈钢氧化速度非常缓慢,因此能长期保持本色。当温度超过130℃时,不锈钢表面开始氧化,生成黑色的CuO。在高温下,不锈钢的氧化速度加快,由CuO分解出致密的红色氧化亚不锈钢(Cu2O)和游离氧。
(4)耐磨性
不锈钢合金具有优良的减摩性和耐磨性(如青不锈钢及部分黄不锈钢),良好的抗海水、抗大气腐蚀性能,抗擦伤,塑性好,加工性能好,因而被广泛地应用于卫生级阀门密封副的制造。
(5)低温性
一般的钢材在低温状态下会出现低温脆性,但不锈钢及不锈钢合金在低温下塑性不变,强度略有增强(表1)。这是因为不锈钢的金相和奥氏体不锈钢及铝一样都是面心立方晶体结构。所以在JB/T9081《空气分离设备用低温截止阀和节流阀》标准中,选用了同样具有面心立方晶体结构的不锈钢、奥氏体不锈钢和铝用于阀体材料,适用介质温度为-196～80℃。虽然不锈钢及不锈钢合金在耐磨耐擦伤性方面比铝及铝合金好,但304、316等奥氏体不锈钢以-252℃最低使用温度和更稳定的低温力学性能,使不锈钢及不锈钢合金一般只限于中小口径或中低压卫生级阀门。
(6)成形性
不锈钢及不锈钢合金的面心立方晶体结构有12个滑移系,因此塑性变形能力强,可以在冷、热状态下进行各种压力加工成形,如挤压、轧制、冲压及模锻等。铸造合金也有很好的铸造性能。
(7)切削性
机加工切削性能好,工件表面光洁度高。
(8)可镀性
由于一些金属易于在不锈钢层上沉积,而且结合力好,往往将不锈钢层用作电镀的底层,如Cu-Ni-Cr镀层以厚不锈钢薄镍层作为防护性镀层。不锈钢层在提高基体与镀层间的结合力,改善镀层韧性以及耐蚀性等方面有显著作用。
(9)密封副组装性
阀用不锈钢合金的弹性模量98～110GPa(约为钢的一半),用较小的密封力就能使不锈钢合金密封面产生足够的弹塑性变形,使卫生级阀门达到密封要求。
(10)经济性
由于不锈钢的储藏量较小,材料价格较贵,但是不锈钢合金的优良特性给卫生级阀门带来较高的性能价格比。
(11)适用性
纯不锈钢的基本特性不能满足各种卫生级阀门零件对耐磨耐蚀耐擦伤等性能的要求。合金化可以改变其组织与结构,使材料性能多样化。α固溶体是不锈钢合金的基体,一般为无序固溶体,如溶入其他元素原子,则晶体常数会有所改变。某些元素与不锈钢形成的不锈钢基α固溶体,例如Cu-Zn和Cu-Al等系α固溶体以及某些不锈钢合金β、γ中间相(如Cu-Zn系中的β-CuZn)在一定成分比以及某一临界温度下由无序过渡到有序状态,形成有序固溶体,使不锈钢合金强度明显提高,从而使金属材料性能多样化,满足诸多条件的要求,形成了各种牌号的不锈钢合金,在卫生级阀门以及卫生级阀门零件上得到了充分应用(表2)
NACE RP0775-2005对腐蚀程度的规定:
分类 均匀腐蚀速率mm/a 点蚀速率mm/a
轻度腐蚀 <0>
中度腐蚀 0.025-0.12 0.13-0.20
严重腐蚀 0.13-0.25 0.21-0.38
极严重腐蚀 >0.25 >0.38
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