Inconel 718材料阀杆在高酸性煤化工服役环境中腐蚀开裂行为研究

刘汉钦

（苏州圣科阀门有限公司，江苏 苏州 215156）

阀门可用于煤化工厂的许多方面。反硝化脱硫系统应考虑耐温，耐腐蚀和密封泄漏标准。常用的有蝶阀，球阀和闸阀。物料输送系统采用气动刀闸阀，挡板阀和专用蝶阀。用于螺杆输送的阀门还需要考虑阀门的耐磨性。阀门在煤化工生产过程中需要承受高酸环境条件，阀杆是阀门的重要组成部分，用于传动，连接执行器或手柄，直接在阀芯下方移动或旋转，实现阀门切换或调节。在阀门的打开和关闭过程中，阀杆不仅是移动部件，受力部件，还是密封部件。同时，它受到介质的冲击和腐蚀，并且还产生摩擦。因此，在选择阀杆材料时，必须确保其在特定温度下具有足够的强度，良好的冲击韧性，耐刮擦性和耐腐蚀性。阀杆是易损件，选择时还应注意材料的机械加工性能和热处理性能。阀杆通常由Inconel 718材料制成。Inconel 718材料的阀杆在高酸煤化工的使用环境中常伴有腐蚀开裂的现象。研究腐蚀开裂行为的深层次原因具有重要的现实意义。

1 Inconel 718合金阀杆的特点

Inconel 718合金在恶劣的服役环境中可抗较强的腐蚀性，且在高温条件下也可抵抗酸性腐蚀，在机械加工后具有非常优异的力学性能，且易于进行机械加工，在石油生产、煤炭开采、航空航天设备和机件制造行业都得到了普遍运用。Inconel 718合金广泛用于煤化工作为主要材料服务组件，包括在腐蚀性或酸性环境中的煤化学脱硫和脱酸过程，特别是在含有二氧化碳和硫化氢的腐蚀环境中。Inconel 718合金在许多应用中已经取代了其他合金。Ineonel 718合金含有超过50%的镍，约20%的铬和3%的钼，这3种元素对合金具有耐腐蚀性。其在煤化工的生产和设备的使用过程中起到了至关重要的作用。镍元素由于其点位较高，具有抵抗环境的钝化特性，在一些卤族元素存在的情况下依然可以保持其自身稳定性，且在强氧化环境中具有防止氯离子应力腐蚀开裂和许多无机，有机和混合酸和碱的耐腐蚀性的作用。铬元素的存在则提高了材料的抗氧化能力，同时也提高了材料的抗腐蚀能力，当钼元素存在时，合金的腐蚀现象减少，尤其对合金在恶劣使用环境中的点蚀抗性效果非常好。

2 Inconel合金阀杆应力腐蚀开裂研究

应力腐蚀开裂是指由应力和腐蚀环境的互相结合引起的一种损坏形式。一旦应力腐蚀开裂形核，它将以非常高的速度扩展，导致结构构件在短时间内破裂，因此这是一种非常危险的失效模式。外部环境因素对Inconel 718合金的抗应力腐蚀性能有非常显着的影响。Inconel 718合金在154°C的沸腾氯化镁溶液中具有非常高的氯化物诱导的应力腐蚀敏感性，包括其他高温氯，硫，氧或酸环境，如高温氯致应力腐蚀开裂限制了Ineonel 718合金阀杆用于煤化工的最高温度。此外，硫化氢的存在还促进了Inconel 718合金在高温含氯环境中的应力腐蚀开裂敏感性。在高强度水平下，应力腐蚀开裂敏感性随着硫化氢分压的增加而增加。在硫化氢的高分压下，应力腐蚀敏感性非常高，特别是当溶液中含有硫时。在高硫化氢分压环境中，含有元素硫元素，当存在硫元素时，Ineonel 718合金的最高使用温度为121~141℃，阀杆材料的最高使用温度也因此而受到极大的限制。

3 Inonel 718合金阀杆的均匀腐蚀

Inconel718合金由于其优异的耐腐蚀性而用于生产煤化工阀杆材料。Inconel718合金阀杆材料在煤化工生产环境中一般不会发生均匀的腐蚀和点腐蚀。在含有二氧化碳和硫化氢的环境中，Ineonel718合金阀杆具有优异的均匀耐腐蚀性，即使在高温下，腐蚀速率也低于每年0.025mm。Inconel718合金在酸性环境中表现出优异的耐腐蚀性。Inconel718合金阀杆材料在盐酸溶液中的腐蚀速率为0.1mm/h，该溶液的耐腐蚀性与825，SM2550和G3等合金的耐腐蚀性相当。客观地说，Inconel718合金在酸性化学处理环境中的耐腐蚀性是足够的，特别是在这种工作环境中，会加入缓蚀剂以降低合金的腐蚀速率。当老化温度升高时，Inconel718合金在5%沸腾硫化氢溶液中的腐蚀速率略微降低，表明其抗均匀腐蚀的能力略有提高。然而，在老化温度达到788℃后，随着老化时间的增加，腐蚀速率增加并且抵抗均匀腐蚀的能力降低。

4 Inconel 718合金阀杆的点蚀性能

Inconel 718合金耐腐蚀性能较为优异，但有时在恶劣的酸性环境中也会被深度腐蚀，通常被深度腐蚀的环境中常常含有硫元素和氧元素。因此，Inconel 718合金阀杆材料中发生铬镍铁合金腐蚀往往出现在极为恶劣的酸化学环境中，Inconel 718合金阀杆材料的耐点蚀性与双相不锈钢的耐点蚀性相当。由于耐腐蚀性不足，不能使用410不锈钢，9Cr1Mo，304不锈钢，CA6NM和17-4PH等不锈钢。如果Inconel718合金阀杆出现了点蚀的现象，首先对其热处理工艺进行回顾，考虑到热处理工艺对其结构产生影响从而降低了合金阀杆的耐点蚀能力，对其有较大影响的热处理工艺是时效过程，时效过程涉及到时效温度和时效时间，合理的改变时效温度和时效时间有助于合金阀杆耐点蚀性能的提升。值得关注的是，发生点蚀的温度并没有随着热处理时间的延长而升高，反而是点蚀发生的温度随着热处理时间的延长而降低，点蚀温度降低表明合金在热处理时间延长的时候耐点蚀的能力下降，这种现象的出现与时效造成的碳化物析出和元素偏析有关。在进行有效的时效处理时时效时间和温度是两个重要的影响因素，提高时效温度和延长时效时效时间都会引起阀杆合金材料的耐点蚀性能显著下降。反过来看耐点蚀性对Inconel 718阀杆在酸性的使用环境中使用性能的影响并不是十分重要，并不是限制阀杆功能完成的关键因素，除非阀杆在极其特殊的环境下工作。

5 结语

综上所述，Inconel 718材料阀杆在高酸性煤化工服役环境中腐蚀开裂行为是普遍存在的，腐蚀和开裂机理较为复杂，需要对阀杆材料进行创新性研究并对煤化工生产工艺进行优化，及时排除故障煤化工生产过程中的阀杆材料腐蚀开裂故障隐患。