崔娇月

（镇海石化建安工程有限公司，浙江宁波 315207)

引言

氧化铝冶炼工艺中精母液换热器拟采用高效换热器，原因在于高效换热器换热效率高，没有死区，不容易堵塞，方便清洗；同时可大大减少清洗次数，降低清洗成本，板换1～2周清洗一次，高效换热器可4周清洗一次。高效换热器内部的芯体是不可拆的结构，因此换热管的选材及其重要。管、壳程介质均为铝酸钠溶液介质，工作温度为100℃，介质中NaOH的质量分数为20%，氯离子5000ppm，即介质中既有较高浓度的氯离子，又有较高浓度的苛性钠碱液。这就要求用于氧化铝冶炼工艺中的相关设备具有较好的耐氯离子和高浓度的苛性钠碱液腐蚀，本文对选用超级不锈钢254SMO进行该介质中三种不同工况下腐蚀试验，考虑高效换热器芯体制作时的最大应力，为氧化铝冶炼工艺中高效换热器换热管选材提供应力腐蚀试验依据。

1 理论依据

1.1 腐蚀机理探讨

(1)NaOH的腐蚀又称作“碱脆”，碱脆的腐蚀机理为应力腐蚀。在氢氧化钠和碱工业研究的资料表明：所有金属材料中，银对氢氧化钠的耐蚀性最好，其次是镍，银和镍能耐所有浓度和温度的氢氧化钠，直到熔融状态（480℃）。金、铂和多种镍合金对各种浓度和温度的耐蚀性也很好；各种不锈钢对40～50%以下的氢氧化钠可耐至80℃左右，但不耐高浓度高温度碱液[1]。铬镍不锈钢适用于中等浓度和中等温度的碱液，如100℃和50%以下的碱液。当温度增高时，腐蚀性也增大。镍含量越大，腐蚀率越低。氧化铝冶炼工艺中，操作温度100℃，苛性钠碱液浓度为20%，相关的腐蚀工况数据为空白，因此选择铬镍含量高的超级奥氏体不锈钢进行相关工况下釜腐蚀试验研究。

(2)氯离子既会产生应力腐蚀，也会产生点蚀（又称小孔腐蚀）。引起应力腐蚀的三要素为：金属材料、残余拉应力、腐蚀介质。小孔腐蚀机理为电化学腐蚀，在电解质溶液中，两种活性不同的金属就会形成电位差，活泼金属被消耗，形成电化学腐蚀。下图为不锈钢材料不同温度下应力腐蚀以及点蚀的曲线，100℃时没有相关曲线，因此，我们更有必要进行254SMO在100℃，5000ppm氯离子含量下的腐蚀试验研究。

不锈钢材料不同温度下应力腐蚀以及点蚀曲线

1.2 超级不锈钢254SMO的性能

超级不锈钢254SMO是一种含高镍、高铬、高钼的全奥氏体组织的不锈钢，因此也称之为“超级奥氏体不锈钢”。该材料具有较好的耐高温和耐腐蚀性，尤其在氯化物和还原性酸介质中耐腐蚀性好，是普通不锈钢不可取代的。此外，超级奥氏体不锈钢254SMO具有极高的耐点腐蚀、耐缝隙腐蚀性及良好的抗均匀腐蚀性。目前，市场上超级不锈钢254SMO材料标准有：ASTM A240（钢板），牌号为S31254；ASTM A182（锻件），牌号为F44；ASTM A312（换热管），牌号为S31254。本文试验选用换热管，其标准成分及实测成分如表1所示。

表1 254SMO的化学成分（质量分数，%）

2 腐蚀试验及结果分析

2.1 试验工况

为了更好地分析超级不锈钢254SMO在氧化铝工艺中的耐腐蚀性，本文根据氧化铝生产工艺流程，设计了如下三种试验工况：

工况一：质量分数为20%的NaOH水溶液，试验压力为1.35MPaG，温度为100℃。

工况二：质量分数为20%的NaOH与质量分数为0.6%的NaCl（相当5000ppm氯离子）混合水溶液，试验压力为1.35MPaG，试验温度为100℃。

工况三：质量分数为33%的NaOH水溶液，试验压力为1.35MPaG，试验温度为95℃。

2.2 应力腐蚀试样

试验所选换热管如图1所示，将其弯曲成高效换热器换热管更加苛刻的弯曲状态，弯曲后的试样如图2～4所示，直接将其放入三种不同工况下试验釜中进行应力腐蚀试验。考虑高效换热器的绕制后，将进行整体消应力热处理，故本试验的试样残余应力远大于高效换热器中的残余应力。

图1 254SMO换热管试样

图2 工况一试样

图3 工况二试样

图4 工况三试样

2.3 应力腐蚀试验测试方法及检测设备

超级不锈钢254SMO换热管应力腐蚀试验方法参考【ASTM G111-2018《高温或者高压环境下或者高温高压下腐蚀试验指南》】进行抗苛性钠应力开裂试验，试样受拉面应无开裂且无破坏性裂纹。本试验的检测设备主要有：Dino-lite显微镜JSZ6（JX13）、数显恒温油浴锅HH-S、液压万能试验机AUM-60W（LX05）。

2.4 试验结果及分析

试验2天后开釜检查，未发现裂纹。继续试验，每隔4天开釜一次进行检查，均未发现裂纹，每次开釜观测后重新更换溶液（试验压力1.35MPaG）。连续经过1个月的腐蚀周期后，对3种不同工况下的超级不锈钢254SMO换热管试样进行开釜检查，10X显微镜下观察结果均无裂纹，三种不同工况下的试验在10X显微镜下观测结果结果如图5～7所示。

图5 工况一的3组试验10X显微镜下观测结果

图6 工况二的3组试验10X显微镜下观测结果

图7 试样在10X显微镜下观测结果

由试验可知：(1) 质量分数为20%的NaOH水溶液，试验压力为1.35MPaG，试验温度为100℃时，超级不锈钢254SMO具有良好的耐蚀性能。(2)质量分数为20%NaOH与质量分数为0.6%的NaCl混合水溶液，试验压力为1.35MPaG，试验温度为100℃时，超级不锈钢254SMO具有良好的耐蚀性能。(3) 质量分数为33%的NaOH水溶液，试验压力为1.35MPaG，试验温度为95℃时，超级不锈钢254SMO具有良好的耐蚀性能。

3 结论

本文通过试验的方法验证了在高浓度氯离子、高浓度NaOH溶液的介质中，超级不锈钢254SMO在三种不同工况下均具有很好的耐腐蚀性能，适用于氧化铝冶炼工艺中高效换热器的选材制造。此外，考虑高效换热器芯体绕制过程产生的残余应力，在采用254SMO换热管绕制后，可进行整体消应力热处理减小或消除因芯体绕制产生的残余应力。