如何选用超级不锈钢AL-6XN合金和哈氏合金C-22解决316L腐蚀工况

从事生物制药和食品加工行业的设备厂经常面临一项艰巨的工作。所选用的加工材料不应和物料发生化学反应，否则在一些严苛的工况下，年复一年的进行生产容易导致整个系统腐蚀和失效。

 例如，316/316L（UNS S31603）不锈钢被广泛认为是制造洁净产品的卫生材料，是食品、饮料、个人和家庭护理、制药和生物技术加工的工艺部件和设备的“主力”材料。但某些因素会超过常用的不锈钢（316/316L）的抗腐蚀能力。

这些因素包括：

• 高温

• 低pH值

• 加工产品中的化学物质

• 用于CIP的清洗剂

 

这就是为什么长期、可靠的耐腐蚀性是工程师在系统设计中必须考虑的基本因素之一，也是为什么正确选择建造材料至关重要的原因。

 

超级合金™：加工环境条件要求更高时

 

许多现代加工环境要求使用的材料，需要比316和316L等奥氏体不锈钢具有更好的耐腐蚀性。耐腐蚀超级合金™AL-6XN®和Hastelloy®C-22®是在恶劣条件下运行的系统设计和建造的绝佳替代品。

这两种合金材料都含有比316不锈钢更高的铬、钼和镍。增加的铬和钼，因此增加了抗点蚀和缝隙腐蚀的能力。

• 钼具有更高的抗还原性，如甲酸和亚磷酸介质，较高的镍含量可提高抗氯化物应力腐蚀开裂的能力。

 

在这篇文章中，我们将讨论耐腐蚀超级合金AL-6XN和哈氏合金C-22之间的区别，以帮助您选择适合您应用的材料。为了开始这个讨论-并提供超级合金的应用之间的比较-让我们先看看一些标准的不锈钢材料在加工中的应用及其局限性

 

不锈钢：具有一定的耐腐蚀性

 

我们将从标准钢背后的原理开始。钢是不锈的，也就是说，在特定的情况下不会因腐蚀而“着色”，因为它形成了一种自我修复的保护层，称为被动膜。316不锈钢含有16-18%的铬，铬与空气中的氧气或工艺溶液发生反应，形成氧化铬层——钝化膜。随着时间的推移，金属被划伤或以其他方式退化，它将继续重新形成并提供防腐蚀的屏障。

316和316L是奥氏体不锈钢-它们的奥氏体结构主要来自镍的添加（约占总成分的11.5%）。其中还含有少量其他奥氏体稳定元素，如碳、锰和氮。通过钼（约2.1%）的添加，提高了其抗还原酸、点蚀和缝隙腐蚀的能力。316L与316的不同之处在于其碳含量较低，降低了晶间腐蚀的敏感性。

 

卫生和高纯度加工过程中腐蚀的危害

 

所有的不锈钢和镍合金都有一个阈值，超过这个阈值就可能被腐蚀。如果发生腐蚀，腐蚀的模式和严重程度可以告诉你工作中使用的合金是正确的还是错误的。

CSI在卫生和高纯度工况应用中使用不锈钢加工设备的数十年经验表明，最常见的腐蚀模式有以下几种：

• 加工含有氯化物的溶液时产生的缝隙腐蚀和点蚀

• 暴露于温度高于50°C/122°F的含氯化物环境中易发生的应力腐蚀开裂

 

缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是由于设计或制造缺陷，或在加工设备中沉积而形成的小裂缝，造成的表面被动层的破坏。

工艺系统中的裂缝或间隙可能发生在连接处、法兰下或法兰之间、垫圈以及其他接触区域（如阀座）。

裂缝的几何形状很重要，紧密的深裂缝比宽而浅的裂缝更容易受到侵蚀。

缝隙腐蚀最有可能发生在含氯盐的水溶液中，在卫生和高纯度加工中几乎普遍存在：

• 氯化钠（NaCl），几乎存在于所有食品和饮料中，含量不一

• 氯化钾，存在于汤、酱汁和运动饮料中发现

• 氯化镁，存在于豆奶和花生酱中

• 氯化钙，存在于洗涤剂和清洁剂中 

在溶液中，氯离子（Cl-）和氢离子（H+）将集中在缝隙内，形成酸性氯化物环境，与316等不锈钢发生反应，导致钝化膜局部破裂，并在缝隙内迅速腐蚀。这种腐蚀形式的可能性随着温度的升高而增加。

 

点蚀

点蚀表现为材料表面的深孔。随着温度的升高，它也最有可能发生在含有氯化物的水溶液中。凹坑会在表面上的薄弱点开始，例如夹杂物、机械缺陷和带有焊接热影响区域的地方。

一旦产生凹坑，其生长与缝隙腐蚀非常相似。坑内部变得富含氯化物和酸性物质，这加剧了坑的生长。避免点蚀比阻止点蚀持续加深要容易得多。

 

 

应力腐蚀开裂

这种类型的腐蚀表现为暴露在腐蚀环境和拉伸应力下的材料产生的裂纹，例如氯化物的存在和温度在50°C/122°F或以上。

拉应力的来源可以是工作条件（如高压应用）或残余应力（如与焊缝相关的应力）。

大多数应力腐蚀裂纹出现在工作应力和残余应力组合最高的焊缝附近。

 

超合金AL-6XN和哈氏合金C-22

AL-6XN：优良的耐腐蚀性和可加工性

AL-6XN是一种超奥氏体不锈钢，铬含量较高（20-22%），钼含量约6%，氮含量较高（0.18-0.25%），其耐蚀性能略优于欧洲牌号 254 SMO 合金。

除了提供更好的耐腐蚀性外，它比300系列奥氏体不锈钢强约50%（基于屈服强度），并且具有良好的冲击韧性、可加工性和可焊性。

 

AL-6XN案例研究

 

一家食品和饮料产品的全球生产商联系了CSI，就现有316L不锈钢管和其他配件频繁泄漏的问题与CSI联系。CSI调查发现，该生产商正在加工超高温果汁，其生产线出现点蚀和应力腐蚀开裂。

在暴露于高酸性、高温环境下，316L的保护性钝化层遭到破坏，导致腐蚀，最终导致凹坑穿透表面。这些凹坑成为母材中应力腐蚀裂纹的萌生点，而不是焊缝区域，这表明316L无法胜任手头的加工任务。

CSI发现腐蚀的根本原因后，生产商决定从316L升级到AL-6XN以解决问题。CSI能够帮助生产商重建系统，从现有库存供应所有必要的管道和配件。生产商再也没有出现实质性故障，从而节省了数百万美元。

 

哈氏合金C-22：最恶劣环境的腐蚀防护

AL-6XN的耐腐蚀性和优良的制造性能是传统不锈钢中无法比拟的，但它也有局限性。

在高温、高氯化物和酸性条件下，AL-6XN易受点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂的影响。

在对AL-6XN来说要求过高的环境中，哈氏合金C-22是一个极好的替代品，可显著提高耐腐蚀性。

C-22是一种镍合金，镍和钼的含量几乎是AL-6XN的两倍，铬的含量也差不多。它还含有3.5%的钨，以进一步提高抗氯化物腐蚀的能力。它具有高塑性，焊接性好，易于制造成工业零件。

C-22设计用于耐受极端腐蚀条件，在高浓度氯化物/高温溶液和矿物酸中，提供优异的防点蚀和缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂保护。

矿物酸是一组腐蚀性无机酸，包括盐酸、硝酸和硫酸。例如，食品、饮料、家庭和个人护理、制药和化学工业使用盐酸的目的多种多样，包括：

• 作为一种添加剂来调节水、食物和药物的pH值

• 生产明胶、果糖、柠檬酸、赖氨酸、阿斯巴甜和水解植物蛋白

• 家用清洁用品，如消毒剂和瓷砖清洁剂

• 生产无机化合物

• 精制食盐

 

矿物酸的腐蚀性有时是产品功效的原因，比如马桶清洁剂和除垢产品家用电水壶和熨斗，以及产品含有它们的原因。但是这些产品工作的腐蚀特性也对制造它们的设备产生了极端和持续的要求。

次氯酸钠，通常用于清洗和消毒加工设备，生产条件也极其苛刻。家用漂白剂约为5.25%次氯酸钠。次氯酸盐离子（OCl-）具有很强的腐蚀性，在室温下，5%浓度的溶液会使大多数不锈钢产生点蚀和缝隙腐蚀。在较高的温度下，则很可能发生应力腐蚀。

C-22对氧化和还原环境也有很强的抵抗力。高铬含量（20%-22.5%）可提高湿氯等氧化介质的耐腐蚀性，因为它会形成一个持续性的保护层。C-22含有约3.5%的钨，对还原性环境具有优异的抵抗力。AL-6XN和标准钢都不含钨。C-22的钼含量也能防止还原环境的影响——它包括12.5%到14.5%的钼，大约是AL-6XN中钼含量的两倍，是316不锈钢的三到四倍。

表1:Hastelloy C-22、AL-6XN和316L的化学成分

 

C-22和AL-6XN：选择适合的合金

 

选择合适的耐蚀超级合金是高纯度、卫生处理设备工程设计的重要组成部分。材料必须具有足够的耐腐蚀性，以承受使用环境和使用的清洁方案。如果不这样做，系统将很容易受到使用寿命缩短、意外停机、维护成本增加和安全隐患的影响。

选择一种超合金材料（比条件要求更高的耐腐蚀性）可能会增加项目成本，但在生产过程中如出现无意或有意的变化，从而导致更恶劣的条件时，有一个安全余量也可以为设备或人提供安全保障。

 

那么，您如何知道您的工艺要求何时意味着从316/316L不锈钢过渡到AL-6XN或C-22？哪一种最适合您的情况？

在大量的化学物质、温度和pH值等无限的组合中，加上特有的卫生和高纯度的加工环境，这使得完全满足所有情况下的选择变得具有挑战性。

然而，最常见的腐蚀性环境是pH值接近中性的含氯水溶液的中。在氯化物存在的情况下，不锈钢最容易在暴露在外的表面上出现点蚀和密闭空间中的缝隙腐蚀。当环境变得更具腐蚀性，暴露在外表面的点蚀和缝隙腐蚀的可能性更大，包括：

• 氯化物含量上升

• 上升温度

• pH值下降

• 氧化条件，如遇到氧化消毒剂，如氯或臭氧。

 

 

第一步-评估应力腐蚀开裂风险

评估应力腐蚀开裂的可能性很简单，而且由于应力腐蚀开裂会导致迅速的灾难性系统故障，这是确定合适材料的第一步。

氯化物、拉伸应力和高于50°C/122°F的工作温度的状态下会导致316/316L不锈钢的应力腐蚀开裂，在没有经过合格的腐蚀专家对您的工艺需求和要求进行彻底审查的情况下，不应使用这种材料。

当存在应力腐蚀开裂的风险时，AL-6XN是316/316L的最佳替代品。

AL-6XN的开裂临界温度明显高于316/316L不锈钢，当然这取决于氯化物含量。

即使在最高浓度的氯化物浓度下（高达100000 mg/l-10%的氯溶液），AL-6XN在高达约120°C/250°F的温度下也能抵抗开裂。当使用条件涉及氯离子浓度和温度，使AL-6XN面临开裂风险时，C-22因不会受到氯化物应力腐蚀开裂的影响才是正确的选择。

 

第二步-评估点蚀和缝隙腐蚀风险

 

在评估了应力腐蚀开裂的风险后，查看工作环境中可能出现的点蚀和缝隙腐蚀。在接近中性pH值的环境中，可以使用最高工作温度和氯化物水平。

因为缝隙腐蚀比点蚀更容易引发，所以了解系统是否有裂缝是非常重要的-通常很难消除所有的裂缝。除非您确定系统没有裂缝，否则建议您根据缝隙腐蚀阈值选择建造材料。

下表2给出了316/316L不锈钢和6%钼超奥氏体钢（如AL-6XN）在不同氯化物浓度下引发点蚀和缝隙腐蚀的临界温度。结果表明，如果拟定的使用环境中氯化物的最大含量为1000 mg/l，最高使用温度为40°C/100°F，则316/316L等级预计会出现凹坑和缝隙腐蚀，因为316/316L在1000 mg/l氯化物下的缝隙腐蚀和点蚀阈值温度远低于40°C/100°F。

在这些条件下，AL-6XN是一个很好的候选者，因为在40℃/100℉的温度下，它将抵抗高于该氯化物水平的缝隙腐蚀和点蚀。

 

表2：引发点蚀和缝隙腐蚀的临界温度

 

如果您发现某种材料不太可能在工艺环境中产生凹坑，但可能容易受到缝隙腐蚀，如果您能够确保您的系统没有裂缝，您仍然可以使用该材料。

当您的环境对AL-6XN过于苛刻时，例如50°C/122°F下20000 mg/l氯化物，是时候考虑使用C-22了。

C-22具有优异的耐局部腐蚀性，并且在6%三氯化铁溶液中可抵抗高达55°C/131°F的缝隙腐蚀和高达100°C/212°F的点蚀，对应的氯化物含量为39000 mg/l，pH值约为2。

 

卫生行业工艺和系统工程师明白解决腐蚀问题对保护系统和产品完整性很重要。然而，想知道正确合适的工程施工材料是很复杂的。

 

CSI的卫生和高纯度材料加工专家拥有数十年的经验，可以为您选择合适的材料。请立即联系我们，咨询您的处理系统需求。我们将帮助您根据您的高要求工作环境选择确定最佳材料，以确保您的系统在未来几年内安全运行。

 

关于CSI

 

CSI在卫生管道、阀门、配件、泵、换热器和MRO供应方面处于领先地位，在美国拥有四个配送设施。CSI还提供食品、乳制品、饮料、制药、生物技术和个人护理行业等卫生工艺系统的详细设计和执行。专注于工艺管道、系统启动和清洁系统，CSI利用技术、知识产权和行业专业知识为处理问题提供专业的解决方案。更多信息请访问www.csidesigns.com。

 

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