钢制容器在氢氧化钠溶液中的使用限制
摘 要 本文介绍了钢材在不同温度和浓度的氢氧化钠溶液中可能发生碱脆的情况及使用的限制。由于可能存在碱脆，钢制设备选材时应结合不同氢氧化钠溶液的浓度和温度情况进行综合考虑。对于接触氢氧化钠溶液的碳钢或低合金钢设备，应注意是否要进行焊后消除应力热处理；当介质温度高浓度大时，是否需要采用镍合金或不锈钢材料。对使用中的设备，在进行设备定期检验时应根据实际情况将是否可能发生碱脆作为确定检验项目时考虑的一个方面。
关键词 氢氧化钠溶液；碱脆；碳钢和低合金钢；铬镍不锈钢
钢材在常温较稀的氢氧化钠溶液中，表面出现坚牢的保护膜，所以在工业生产和贮运低浓度常温氢氧化钠溶液时，用途很广泛。随着浓度和温度的升高，钢铁的腐蚀迅速增加，温度越高，腐蚀越严重，承受应力的部件就容易发生应力腐蚀破裂—碱脆。
碱脆，又称苛性脆化，是金属材料在碱性溶液中，由于拉应力和腐蚀介质的联合作用而产生的开裂。钢的碱脆，一般要同时具备3个条件：一是较高浓度的氢氧化钠溶液；二是较高的温度，碱脆的温度范围较宽，但最容易引起碱脆的温度是在溶液的沸点附近；三是拉伸应力，可以是外载荷引起的应力，也可以是残余应力等，或者是几者的联合作用。设备要避免碱脆，除了应合理设计零件和构件，减少应力集中外，同时要改善腐蚀环境，还应考虑合理选材，避免使用对应力腐蚀敏感的材料。
在各种金属材料中，普通碳钢和低合金钢材料来源广泛，应用较多。不锈钢材料可用在中、低浓度的氢氧化钠溶液中，但不耐高浓度高温碱液。
碳钢和低合金钢对常温低浓度的烧碱液有良好的耐蚀性，但随浓度和温度的升高，腐蚀速率也在增大，并在拉应力的作用下可能发生碱脆，应用上存在一定限制和范围。如HG20581-1998中规定，碳钢和低合金钢焊制化工容器，如焊后或冷加工后，不进行消除应力热处理，则在氢氧化钠溶液中的使用温度不得大于附表1的温度。当氢氧化钠溶液在其与烃类的混合问中体积≥5%时，也应根据氢氧化钠溶液的浓度符合该表的要求，氢氧化钠溶液浓度≤1%或氢氧化钠溶液在其与烃类的混合物中体积﹤5%时，不受限制。由表1可见，在一定范围内，碳钢和低合金钢可直接使用而不必进行消应力热处理，随着浓度的增加，它所对应的适用温度的有所下降。（附表1）
A区：碳钢 不必作应力消除；
B区：碳钢 焊缝及弯头应作应力消除
C区：在此区域内应考虑用镍合金或不锈钢；
B区及C区域：镍合金适用于阀门
然而，有关资料表明，碳钢或低合金钢材料即使在消除应力热处理后，它们在较高浓度和温度的氢氧化钠溶液中使用还是存在限制。附图1为烧碱溶液中碳钢的腐蚀性能图。在图A区域中，碳钢腐蚀速度低，且不发生碱脆；在B区域中，碳钢腐蚀速度低，但会发生碱脆，焊接或冷加工后应消除应力热处理；而在C区域中，碳钢的腐蚀速度大，且碱脆倾向更大，不宜使用，应采用镍或不锈钢。此图再次说明，对应于较低温度和浓度下，碳钢可直接使用，不需进行消应力热处理；随着溶液温度的升高，碳钢需要进行消除应力热处理才可适用，这个结论也是与表1相一致的；当浓度和温度进一步升高后，碳钢消应力热处理还是不能解决问题，而应重新考虑选择材料才合理，进而应采用镍合金或不锈钢材料。同时，可以看出在一定浓度范围内，随着碱液浓度的升高，材料在跨越A、B不同区域时对应温度的有所下降。（附图1）
不锈钢材料有较好的抗氢氧化钠溶液的碱脆能力，然而选用它后也并不是完全可以避免碱脆。奥氏体不锈钢材料在常温氧化性环境中容易钝化，使表面产生一层以氧化铬为主、保护性很强的薄膜，其腐蚀率极低。当环境温度增高或环境的氧化能力减低时，将由钝态变为活态，腐蚀性显著增大。此时，在氢氧化钠溶液中，受拉应力的部分也可能发生碱脆。附图2为铬镍不锈钢在氢氧化钠溶液中的腐蚀性能图，剖面线区域为可能发生碱脆的区域。由可见，当溶液温度超过一定值时，高温下的碱液也能造成不锈钢的应力腐蚀破裂。（附图2）
通过以上介绍可以知道，对于接触氢氧化钠溶液的碳钢或低合金钢材料，应根据其所接触介质的浓度和温度的情况，来决定是否需要进行焊后或冷加工后消应力热处理；当介质温度较高浓度较大时，碳钢或低合金钢材料将不能适用，这时需要选用镍合金或不锈钢材料。也就是说，在考虑设备选材时，应结合氢氧化钠溶液的浓度和温度来进行综合考虑。
实际生产中，也有一些现场使用的设备，在正常的工作条件下，氢氧化钠溶液的温度较高，但碱液的浓度较低，不容易进入图示碱脆的区域。但如果设备上存在可造成碱液浓缩的结构或部位，并在拉应力作用的情况下，就有可能使浓缩的部位满足产生碱脆的条件。对设备的这些情况应引起注意。
鉴于氢氧化钠溶液对钢材可能产生碱脆的性质，在对此类设备进行压力容器的定期检验时，除了考虑均匀腐蚀等因素对设备进行宏观检查、进行壁厚测定外，还应根据设备的运行特性和设备状况考虑是否要对内表面焊缝和容易造成介质浓缩的部位进行磁粉或渗透检测，并进而结合硬度检测、金相等对发现的缺陷性质进行判定，必要时考虑是否缩短检验周期。
参考文献
[1]化工工艺设计手册[M].2版.化学工业出版社，1996，1.
[2]腐蚀数据与选材手册[M].化学工业出版社，1995，10.
[3]腐蚀与防护手册[M].化学工业出版社，1991，10.
[4]HG20581-1998 钢制化工容器材料选用规定.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
钢制容器在氢氧化钠溶液中的使用限制
