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不锈钢材料的使用年限分析
发布日期:2010-10-27 点击次数:4293

至上世纪初,英国人哈里·布里尔利(H.Brearly)发明了不锈钢以来,不锈钢就将现代材料的形象和在建筑应用中的卓越性集于一身。不锈钢除了具有钢铁优异性能之外更不会产生锈蚀,由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性,所以它能使结构部件永久地保持工程设计的完整性,不锈钢还集机械强度和高延伸性于一身,易于部件的加工制造,加上其使用寿命长、可循环和再利用等优势,可满足建筑师和结构设计人员的需要。

位于美国纽约的克萊斯勒大廈(Chrysler Building)。它建于1926年—1931年,楼高318.9米共有77层,它是全球第一栋将不锈钢材料运用在外观的建筑,楼顶端的酷似太阳光束的设计,是1930年一款克莱斯勒汽车的冷却器盖子,以汽车轮胎为构想,不锈钢板以辐射状铆接许多三角形孔,五排不锈钢的拱形往上逐渐缩小,呈锯齿状的排列成为这栋不朽建筑的焦点。莱斯勒大厦正是见证不锈钢材料永恒特性的绝好案例,虽然它地处沿海和受污染的环境,但它上面的不锈钢历经80载岁月却依然熠熠生辉,而其间只进行过两次清洗。

从纽约巍然耸立的克萊斯勒大廈、从吉隆坡的双子塔到全不锈钢外壳打造的洛杉矶迪斯尼音乐厅、英国伦敦滑铁卢火车站;从15万平方米的屋顶、452米高的塔身,到精致的装饰件和小巧的结构件,不锈钢作为最具可持续性的绿色建筑材料,在世界各地散发着一般材料所不具备的独特魅力。

随着科技技术的不断进步,各个行业,各个领域对材料的使用要求越来越高,城市水管的使用材料也在不断的随着科技的进步而改变。从最初的金属材料到硬质塑料再回到金属材料。

一、在国外薄壁不锈钢管道系统已经普及

薄壁不锈钢水管的使用始于60年代,盛行于90年代,一般使用两个不锈钢钢种:304 和 316L。不锈钢相对其它材质管道,有以下优点:耐腐蚀性佳;坚固且延展性好;易于成型和焊接;不受水流速的限制,最大流速可达 30 米/秒;适用于各种饮用水化学成份;维修量小,所以寿命周期成本低;多种连接方法和不同类型的接头;除了需要控制细菌外,不需要任何水处理剂;无毒;100%回收利用。

而日本是最早将薄壁不锈钢材料,作为城市供水和污水处理的国家。日本东京的自来水供水管也经历了镀锌管──塑料管(以硬质聚氯乙烯为代表)和复合钢管──薄壁不锈钢的发展历程。但不论是镀锌管还是塑料管,各种复合管,在长期的使用过程中,由于其材料耐腐蚀性不佳而受到腐蚀、因外力作用(如热胀冷缩、施工破坏等)造成的漏水现象十分普遍。而采用不锈钢材质的水管之后,从而在根本上解决了漏水的问题。

    在瑞典,KarlsKoga等经过10年试验,将球墨铸铁和PVC埋地供水主管道全部更换为316不锈钢管道。在英国,医院(苏格兰)过去采用的是铜水管,但苏格兰偏软的水质导致铜水管的失效,政府花费了巨资研究失效原因和解决方案,最后将冷热水管道全部更换成不锈钢管材。在美国,美国环保署(EPA)对水管材料选择做出硬性规定,管材的选择必须满足高性能、低维护、长寿命的要求。美国政府根据1996年净水法案制定了国家标准/国家卫生基金国际标准ANSI/NSD61-1997a。该法案明确规定:“用于饮用水的金属管道,只允许使用不锈钢和球墨铸铁管。”城市自来水供水管网,主干管改造,一律选用不锈钢管和球墨铸铁;进入高楼的供水管,无一例外首选不锈钢作为供水管。最新的2003版美国国际标准委员会的水管和住宅标准再次包括了这方面的内容。

而后,薄壁不锈钢水管材料在美国、意大利、瑞典、英国、马来西亚、新加坡等国家得到了大量的应用。至今已成为公认的“最佳饮用水容器材料”,而日本的自来水管道和建筑内给水管道使用不锈钢材料已经有将近50年的历史了。

日本不锈钢协会在1995年的阪神大地震之后 ,实施了一项为期3年的计划,该计划打算在整个国家推广在高层住宅管道系统中使用耐久性薄壁不锈钢材料。

正如其名,薄壁不锈钢管道系”的好处在于:由于不锈钢优异的耐久性和耐腐蚀性,高层建筑物中的供水管道系统的寿命将更长,而维修更少。

明治大学教授Kyosuke Sakaue博士担任日本不锈钢协会团队的领导,国际镍协会和日本阀制造商协会均是该政府资助项目的参与者,该项目主要涉及集体住房中的供水和排水管以及消防设施。

根据这份题为《200年寿命的住宅构想》的报告,日本公寓楼的平均寿命只有30年,而美国住宅楼的平均寿命为55年,英国为77年。寿命短对于居民来说是一个经济负担并且不利于维护工作。该报告敦促住宅业以所有住宅的平均寿命200年作为它的目标。未来高层住宅应具有能源节约、与周围环境融合、抗震和容易维护等特点。

大多数日本住宅具有多个单元,由公共和私有空间组成。该报告建议公共区的管道系统应被视为住宅结构整体“构架” 的一部分。这个概念要求安装耐久性不锈钢阀以减少对修理的需求,并延长整个管道系统的寿命。

使用寿命较长的住宅的另一好处是二氧化碳的排放减少。结构的拆卸或改建需要管、阀和其他材料的生产和运输,导致二氧化碳排放增加。改用耐久性管道系统,避免不断的更换,这必然将减少排放和总的能源消耗。

这些好处和其他好处说明,日本的200年寿命住宅构想与日本不锈钢协会扩大对不锈钢产品的需求同时促进环境可持续性的目标是一致的

而高楼供水系统工作压力一般大于0.6Mpa;对管材承压要求较高。塑料管用于给水系统工作压力均小于此值,无法胜任;复合管两种材料膨胀系数差别大,如粘合不牢或温度变化大时易产生离层;薄壁铜管承压最大可达5.9Mpa;而薄壁不锈钢管由于优良的机械性能,能够承受很高的供水压力,可达10Mpa以上,特别适合高楼供水。

事实上,不少世界著名的高楼采用了不锈钢供水主管道。如马来西亚吉隆坡的通信塔是世界上第四高通信塔,采用304不锈钢管道和耐高压Victaulic接头向421米的大楼供水;于2004年建成的台北金融中心,高508米,将是世界最高的建筑,其供水管道包括主管道是直径为318米的不锈钢管道和Victaulic接头。

二、材料的选择

北美特殊钢工业编印的《Deisign guidelines for the selection and use of stainless steel》。主要介绍美国的不锈钢概况,特别是对不锈钢选材和设计有很好的帮助。美国的不锈钢牌号已被世界上许多国家所采用,特别是日本、韩国、英国,基本上采用了美国的不锈钢体系,我国的不锈钢标准从1984年以来,参照采用了日本标准制订,基本上与美国的不锈钢体系一致。译者翻译这篇文章的主要是目的是介绍美国的不锈钢,了解世界许多国家的不锈钢会有所帮助。

不锈钢是具有良好的耐腐蚀性、强度的加工性能的工程材料。他们可以容易满足广泛的设计规范要求──压力、使用寿命、低的维修性等。而选择薄壁不锈钢作为给水材料需考虑以下几点:

1、耐蚀性和耐热性。这是规定选用不锈钢的基本依据。规定者需要了解材料的本质和所需要的耐腐蚀和耐用热程度。

2、力学性能。特别强调室温、高温和低的强度。一般讲,耐蚀性和强度的组合是选择的基础。

3、制造工艺。产品如何制造是第三个依据。这包括分条、机加工、成形、焊接等。总的成本。

4、考虑总的成本,不仅要考虑材料和产品的成本,而且要考虑寿命周期的本,包括不需要维修的产品预期具有长的寿命所得到的利益而节约的成本,才是合适的。

薄壁不锈钢材料的寿命的长短取决材料本身对介质的抗腐蚀性,一些标准参考书论述了腐蚀和腐蚀控制,包括Vhlig的腐蚀手册,Laque和Copson的金属和合金的耐腐蚀,Fontana和Greens的腐蚀工程,铁镍钼公司的耐腐蚀指南,由国家腐蚀工程师学会测量的腐蚀数据,和ASM的金属手册、腐蚀数据、规范及与不锈钢有关的推荐方法。

而评定不锈钢耐腐蚀性能的方法通常是通过材料试片进行的。试片由于介质的腐蚀而发生重量变化,变化的程度取决于介质的浓度、温度和压力,还与试片本身的组织状态有关。在许多情况下,以年腐蚀率来评定不锈钢的耐腐蚀性能,年腐蚀率又叫年腐蚀深度,以R表示,单位为毫米/年。(参考:日本的JISB8243对碳素钢或低合金钢制容器的腐蚀裕量值。)

表一:不锈钢的耐腐蚀性能

稳定性类别

年腐蚀率(mm/年)

耐腐蚀性能级别

Ⅰ最稳定

>0.001

1

Ⅱ很稳定

>0.001~0.005

2

>0.005~0.01

3

Ⅲ稳定

>0.01~0.05

4

>0.05~0.1

5

Ⅳ稳定性较低

>0.1~0.5

6

>0.5~1.0

7

Ⅴ稳定性低

>1.0~5.0

8

>5.0~10.0

9

Ⅵ不稳定

>10.0

10

国际镍学会(Inco)在上世纪60年代和70年代初在不同的废水处理厂对输配水材料进行了腐蚀试验,对每项试验的设备位置进行了相应的编号,并标出了腐蚀试样在实际环境下暴露的不同时间和位置。

下表汇总了从Inco试样收集到得304、316和1010碳钢的数据。表二:

设备位置

流速

进料

其它

1、城市废水入口

N.A

未经处理的原污水

BOD175~300ppm,悬浮物

2、混合的污水和活性污泥

2~3 英尺/秒

70%的污水、30%活性污泥

 

3、 曝气池

剧烈搅拌

70%污水,30%活性污泥

 

4、 澄清池(二次沉淀)

低速

活性污泥和一些废水

 

5、 浓缩性污泥

 

 

 

6、 真空过滤器至排放口

无曝气,1 英尺/秒

活性污泥送至真空过滤器

一些氯化铁添加剂

7、 废水出口

2 英尺/秒,中等曝气

 

 

8、 污口出口

4~5 英尺/秒,大量曝气

含有很多氯化物和不溶解物质

高曝气

9、 滴滤池

 

 

高曝气

注:典型温度 68~77℉,典型 pH 值 7.4~7

 

表三:处理设备环境下的腐蚀速度        密耳/年(mm/年)

设备位置

304 型

316 型

1010 碳钢

1、市废水入口

<0.1 (<0.002)

<0.11 (<0.002)

3.0~9.0 (0.075~0.225)

2、混合的污水和活性污泥

<0.1(<0.002)

<0.1(<0.002)

4.6 (0.117)

3、曝气池

<0.1<(<0.002)

<0.1(<0.002)

1.5~5.0 (0.037~0.127)

4、澄清池(二次沉淀)

<0.1 (<0.002)

<0.1(0.002)

3.0~6.4(0.075~0.162)

5、浓缩活性污泥

<0.1 (<0.002)

<0.1(0.002)

4.8 (0.122)

6、真空过滤器至排放口

<0.1 (<0.002)

<0.1(0.002)

3.7~8.3(0.094~0.210)

7、废水出口

<0.1(<0.002)

<0.1(0.002)

6.3(0.160)

8、污水出口

<0.1(<0.002)

<0.1(0.002)

1.8(0.064)

8、滴滤池

<0.1(<0.002)

<0.1(0.002)

2.2(0.056)

曝露168-732天暴露的平均腐蚀速度                                               腐蚀速度—密耳/年

                  表四:废水处理设备的腐蚀试验          密耳/年(mm/年)

环境条件

304型

316型

1010碳钢

至真空过滤器的活性污泥

<0.1(<0.002)

<0.1(<0.002)

6.3 (0.16)

调节池+250-300ppm氯化铁

0.16(0.004)

<0.1(<0.002)

8.3(0.21)

活性污泥脱水过滤(中等搅拌)

<0.1(<0.002)

<0.1(<0.002)

3.7(0.094)

+2%氯化铁重量(ph值5.5-6.0)

<0.1(<0.002)

<0.1 (<0.002)

NA

曝露168-732天暴露的平均腐蚀速度                                               腐蚀速度—密耳/年

三、结论

304/304L 和 316/316L 不锈钢是目前城市废水处理设备中的主要材料,在过去的30多年中,根据国际镍协会(Inco)进行的现场试验,这些材料已经成为标准的建造材料。表3、表4中的参数表明,304 和 316 不锈钢的重量损失腐蚀速度<0.1密耳/年。腐蚀速度<0.1 密耳/年表明这种材料的有效寿命有希望超过 200 年。这些非常低的腐蚀速度意味着在设计不锈钢设备时不必在壁厚上留有“腐蚀余量”,

我们有理由相信,随着薄壁不锈钢在水工业应用的不断扩大,设计师们将越来越从性能的角度考虑其应用,从耐用度、维护频率、环保角度考虑,科学而充分地利用不锈钢材料对现代建筑产生更多、更高效的影响。

不锈钢使用年限计算示例:

                                

管径mm

使用温度

设计标准

50年

100年

负差厚度

安全压力

厚度损失

安全压力

厚度损失

安全压力

102*1.5

100℃

1.35mm

1.7MPa

0.1mm

1.6MPa

0.2mm

1.5MPa

压力计算公式(依据GBT12771):

P=   2SR 
     D
式中,P――――实验压力;MPa
   S――――钢管的公称壁厚;mm
   D――――钢管公称外径mm
R----许用应力
R= 屈服点的50%

相关文献资料:

1、 日本的JISB8243对碳素钢或合金钢制容器的腐蚀裕量值

2、 北美特殊钢工业编印的《Deisign guidelines for the selection and use of stainless steel》

3、 美国自来水工程协会杂志86卷,7号,1994年7月

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