Inconel 718材料閥桿在高酸性煤化工服役環境中腐蝕開裂行為研究

劉漢欽

（蘇州圣科閥門有限公司，江蘇 蘇州 215156）

閥門可用于煤化工廠的許多方面。反硝化脫硫系統應考慮耐溫，耐腐蝕和密封泄漏標準。常用的有蝶閥，球閥和閘閥。物料輸送系統采用氣動刀閘閥，擋板閥和專用蝶閥。用于螺桿輸送的閥門還需要考慮閥門的耐磨性。閥門在煤化工生產過程中需要承受高酸環境條件，閥桿是閥門的重要組成部分，用于傳動，連接執行器或手柄，直接在閥芯下方移動或旋轉，實現閥門切換或調節。在閥門的打開和關閉過程中，閥桿不僅是移動部件，受力部件，還是密封部件。同時，它受到介質的沖擊和腐蝕，并且還產生摩擦。因此，在選擇閥桿材料時，必須確保其在特定溫度下具有足夠的強度，良好的沖擊韌性，耐刮擦性和耐腐蝕性。閥桿是易損件，選擇時還應注意材料的機械加工性能和熱處理性能。閥桿通常由Inconel 718材料制成。Inconel 718材料的閥桿在高酸煤化工的使用環境中常伴有腐蝕開裂的現象。研究腐蝕開裂行為的深層次原因具有重要的現實意義。

1 Inconel 718合金閥桿的特點

Inconel 718合金在惡劣的服役環境中可抗較強的腐蝕性，且在高溫條件下也可抵抗酸性腐蝕，在機械加工后具有非常優異的力學性能，且易于進行機械加工，在石油生產、煤炭開采、航空航天設備和機件制造行業都得到了普遍運用。Inconel 718合金廣泛用于煤化工作為主要材料服務組件，包括在腐蝕性或酸性環境中的煤化學脫硫和脫酸過程，特別是在含有二氧化碳和硫化氫的腐蝕環境中。Inconel 718合金在許多應用中已經取代了其他合金。Ineonel 718合金含有超過50%的鎳，約20%的鉻和3%的鉬，這3種元素對合金具有耐腐蝕性。其在煤化工的生產和設備的使用過程中起到了至關重要的作用。鎳元素由于其點位較高，具有抵抗環境的鈍化特性，在一些鹵族元素存在的情況下依然可以保持其自身穩定性，且在強氧化環境中具有防止氯離子應力腐蝕開裂和許多無機，有機和混合酸和堿的耐腐蝕性的作用。鉻元素的存在則提高了材料的抗氧化能力，同時也提高了材料的抗腐蝕能力，當鉬元素存在時，合金的腐蝕現象減少，尤其對合金在惡劣使用環境中的點蝕抗性效果非常好。

2 Inconel合金閥桿應力腐蝕開裂研究

應力腐蝕開裂是指由應力和腐蝕環境的互相結合引起的一種損壞形式。一旦應力腐蝕開裂形核，它將以非常高的速度擴展，導致結構構件在短時間內破裂，因此這是一種非常危險的失效模式。外部環境因素對Inconel 718合金的抗應力腐蝕性能有非常顯著的影響。Inconel 718合金在154°C的沸騰氯化鎂溶液中具有非常高的氯化物誘導的應力腐蝕敏感性，包括其他高溫氯，硫，氧或酸環境，如高溫氯致應力腐蝕開裂限制了Ineonel 718合金閥桿用于煤化工的最高溫度。此外，硫化氫的存在還促進了Inconel 718合金在高溫含氯環境中的應力腐蝕開裂敏感性。在高強度水平下，應力腐蝕開裂敏感性隨著硫化氫分壓的增加而增加。在硫化氫的高分壓下，應力腐蝕敏感性非常高，特別是當溶液中含有硫時。在高硫化氫分壓環境中，含有元素硫元素，當存在硫元素時，Ineonel 718合金的最高使用溫度為121~141℃，閥桿材料的最高使用溫度也因此而受到極大的限制。

3 Inonel 718合金閥桿的均勻腐蝕

Inconel718合金由于其優異的耐腐蝕性而用于生產煤化工閥桿材料。Inconel718合金閥桿材料在煤化工生產環境中一般不會發生均勻的腐蝕和點腐蝕。在含有二氧化碳和硫化氫的環境中，Ineonel718合金閥桿具有優異的均勻耐腐蝕性，即使在高溫下，腐蝕速率也低于每年0.025mm。Inconel718合金在酸性環境中表現出優異的耐腐蝕性。Inconel718合金閥桿材料在鹽酸溶液中的腐蝕速率為0.1mm/h，該溶液的耐腐蝕性與825，SM2550和G3等合金的耐腐蝕性相當。客觀地說，Inconel718合金在酸性化學處理環境中的耐腐蝕性是足夠的，特別是在這種工作環境中，會加入緩蝕劑以降低合金的腐蝕速率。當老化溫度升高時，Inconel718合金在5%沸騰硫化氫溶液中的腐蝕速率略微降低，表明其抗均勻腐蝕的能力略有提高。然而，在老化溫度達到788℃后，隨著老化時間的增加，腐蝕速率增加并且抵抗均勻腐蝕的能力降低。

4 Inconel 718合金閥桿的點蝕性能

Inconel 718合金耐腐蝕性能較為優異，但有時在惡劣的酸性環境中也會被深度腐蝕，通常被深度腐蝕的環境中常常含有硫元素和氧元素。因此，Inconel 718合金閥桿材料中發生鉻鎳鐵合金腐蝕往往出現在極為惡劣的酸化學環境中，Inconel 718合金閥桿材料的耐點蝕性與雙相不銹鋼的耐點蝕性相當。由于耐腐蝕性不足，不能使用410不銹鋼，9Cr1Mo，304不銹鋼，CA6NM和17-4PH等不銹鋼。如果Inconel718合金閥桿出現了點蝕的現象，首先對其熱處理工藝進行回顧，考慮到熱處理工藝對其結構產生影響從而降低了合金閥桿的耐點蝕能力，對其有較大影響的熱處理工藝是時效過程，時效過程涉及到時效溫度和時效時間，合理的改變時效溫度和時效時間有助于合金閥桿耐點蝕性能的提升。值得關注的是，發生點蝕的溫度并沒有隨著熱處理時間的延長而升高，反而是點蝕發生的溫度隨著熱處理時間的延長而降低，點蝕溫度降低表明合金在熱處理時間延長的時候耐點蝕的能力下降，這種現象的出現與時效造成的碳化物析出和元素偏析有關。在進行有效的時效處理時時效時間和溫度是兩個重要的影響因素，提高時效溫度和延長時效時效時間都會引起閥桿合金材料的耐點蝕性能顯著下降。反過來看耐點蝕性對Inconel 718閥桿在酸性的使用環境中使用性能的影響并不是十分重要，并不是限制閥桿功能完成的關鍵因素，除非閥桿在極其特殊的環境下工作。

5 結語

綜上所述，Inconel 718材料閥桿在高酸性煤化工服役環境中腐蝕開裂行為是普遍存在的，腐蝕和開裂機理較為復雜，需要對閥桿材料進行創新性研究并對煤化工生產工藝進行優化，及時排除故障煤化工生產過程中的閥桿材料腐蝕開裂故障隱患。