污水污泥处理设备碳钢与不锈钢的选择

时间：2024-07-28

江海，刘兴华

（1.帕萨旺-盖格环保技术（杭州）有限公司，杭州 310053；2.浙江星月车业有限公司，浙江金华 321307）

近年来，随着国家对环境保护的重视，全国各地陆续建设了规模不等、数量可观的污水处理厂、污泥干化或焚烧厂，而其中针对污水污泥的处理设备投资在总投资中的比重占50%～60%或更高。目前，污水污泥处理工程有着城镇小型化的趋势，一般投资额有限，如果一味的追求设备的材料质量而忽略了材料的适用性，势必会造成投资成本严重超标，给企业和用户带来极大的经济难题。

环保行业所用的设备因其使用的特殊性及所处环境的恶劣性，既要保证机器设备的可靠性及耐腐蚀性，又需要平衡整机的寿命及经济性，因而材料的选择就显得尤为重要。许多技术人员在实践中往往只考虑或片面强调其中的部分有利因素，如不锈钢的耐腐蚀性等而要求将整机全部做成不锈钢的，实际上这种选择是不合理也不可取的。本文拟将碳钢与不锈钢的选材要素进行对比，以便企业和用户在选择设备材料时，避免盲目地一味选择所谓的高端材料。

1 两类常用材料的机械性能对比

碳钢的密度略高于铁素体和马氏体型不锈钢，略低于奥氏体型不锈钢；电阻率按碳钢、铁素体型、马氏体型和奥氏体型不锈钢排序递增；线膨胀系数大小的排序也类似，奥氏体型不锈钢最高，碳钢最小；碳钢、铁素体型和马氏体型不锈钢有磁性，奥氏体型不锈钢无磁性，但其冷加工硬化生成马氏体相变时将会产生弱磁性，因此，设备中有要求高精度的机械类仪表时，要特别注意这一点，可在加工后用热处理的方法消除这种马氏体组织以恢复其无磁性。碳钢和不锈钢的机械性能对比见表1、表2。

从表1、表2中可以看出，碳钢在机械性能方面要明显优于不锈钢。因而在设备设计时要特别注意屈服强度等特征参数，否则可能导致不可预料的后果。以某厂的刮泥机为例，此刮泥机为中心传动式，长度约20m，材质应业主要求采用AISI304，在使用过程中，发现运行阻力很大，运行不畅，根据现场测量情况，材料的两端下沉，变形严重，分析原因为原设计是按碳钢设计，在设计时采用的基础数据均为碳钢参数，但材料换为AISI304后，未进行强度校核，因不锈钢屈服极限显著低于碳钢，导致了整个机架强度不够，在运行过程中由于自身重力影响造成了材料两端下沉严重，接地部分磨擦阻力增大。

一般来说，碳钢比最常用的普通奥氏体不锈钢在屈服极限上要高出10%～20%，同时不锈钢的硬度要高于碳钢很多，所以用碳钢机架比不锈钢机架更易机加工制造，在结构强度和刚性上也更加稳定。

表1 碳钢和不锈钢的机械性能对比（1）[1]

表2 碳钢和不锈钢机械性能对比（2）[2]

2 热膨胀性受环境温度的影响

奥氏体不锈钢（如AISI304、AISI316等）易受温度的影响，在同样温度变化的情况下，用不锈钢做成的机架或者零部件变形也较大。因而环境温度对不锈钢制造的机器设备的精度，以及安装精度和运行状态都有影响。常有工人发现，打完孔或其他方式加工后的不锈钢零件无法对中对齐即是此因。

表3将常用的碳钢材料和不锈钢的热膨胀系数进行了简单的对比。

表3 碳钢材料和不锈钢热膨胀系数对比[4]

从表3中还可看出，一般奥氏体不锈钢明显要比普通碳钢的膨胀系数大，其热膨胀系数约为普通碳钢的1.6倍；针对于此的简单近似说法是：普通碳钢1米1度1丝，即1m的钢温度升高1℃伸长0.01mm，而不锈钢为0.016mm，此外AISI316要比AISI304的膨胀系数稍低一些。

3 机加工成形能力对比

奥氏体不锈钢相对于碳钢来说，硬度较高，机械切削力比正火后的45号钢要高出20%左右[3]，并且加工后表面硬度更高，因而加快了刀具的磨损；并且由于不锈钢的导热性差（导热系数约为碳钢的1/3），在车铣刨磨加工时，切削热不易传导出去，冷却液选择就显的很重要；同时，不锈钢由于较大的线膨胀系数（比碳钢大40%～60%），并随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应提高，对于高精度的零部件加工和精度控制带来了困难。

4 耐腐蚀性的对比

不锈钢与碳钢两种材料的防腐蚀机理是不一样的。

碳钢镀锌是利用锌与铁形成原电池，即牺牲锌极而保护铁极，锌对基体产生电化学保护，锌的抗大气腐蚀的机理有机械保护及电化学保护，在大气腐蚀条件下锌层表面有ZnO、Zn(OH)2及碱性碳酸锌保护膜，从而减缓锌的腐蚀，这层保护膜（也称白锈）受到破坏后又会形成新的膜层。当镀锌层有小的裂纹或损坏时，锌将以牺牲阳极的形式继续防止裂纹或损坏处的钢铁生锈，这是镀锌层优越的特点。而且铁锌合金层硬度比纯锌高得多（接近纯铁），因而镀层抵抗碰撞和刮损的能力很高。

不锈钢是靠其表面形成的一层极薄而坚固细密的稳定的富铬氧化膜形成防护层，防止氧原子的继续渗入、继续氧化从而获得抗锈蚀的能力。但一旦由于某种原因破坏了这层薄膜，空气或液体中的氧原子就会不断渗入，或者是金属中的铁原子不断地离析出来，形成疏松的氧化铁，金属表面也就会受到不断地锈蚀。

4.1 不锈钢材料的腐蚀

不锈钢材料发生应力腐蚀，须满足三个条件：材料、应力、介质；其首要因素是应力，其次是工况。

奥氏体不锈钢在Cl-浓度大于25ppm的环境中使用，材料就具有应力腐蚀倾向。当应力超过一定的阈值（工作应力、温差应力、焊接残余应力、生产加工安装过程中的应力等等，在这些应力的叠加作用下）时，材料就会发生应力腐蚀开裂。不锈钢应力腐蚀导致的失效是突然性的，不会像均匀腐蚀那样虽然腐蚀但未达失效状态时还能用上相当长一段时间，所以要特别注意焊缝和拐角这些地方。不锈钢材料发生应力腐蚀对温度也是很敏感的，温度越高，发生应力腐蚀的浓度越低，如在130℃左右时，即使1ppm的Cl-浓度也能对AISI316L产生应力腐蚀。

此外，不锈钢的型号种类不同，其耐腐蚀性也显著不同。AISI316不锈钢比AISI304不锈钢添加了抗点蚀合金元素Mo，具有更好的点蚀温度抗力，从而大幅度提高了其抗点蚀性能。相同条件下，AISI316不锈钢的临界点蚀温度都明显高于AISI304不锈钢。在常温静态实验条件下，304不锈钢受氯离子作用而点蚀的浓度界限约为150mg/L，316L不锈钢约为250mg/L；设备运动状态数据又会高出很多。

4.2 热镀锌层对钢铁防腐蚀的作用

由于锌能溶解于酸和强碱，因此热镀锌层只能适用于一般大气和天然水的防腐蚀环境中。在乡村和空气比较洁净的地区，镀锌层能维持很多年，而在工业污染区域或海岸地区，镀锌层的耐用年限就较短。此外，镀锌层越厚，耐用年限也越长，耐用年限与厚度几乎成正比。镀层厚度也可用单位面积上锌的质量（g/m2）表示，1μm镀层厚度对应7.2g/m2的附锌量。目前对热镀锌层耐用年限的试验已有大量数据，由于具体试验环境不同，这些数据也有一定差异。比较典型、有代表性的数据见表4。

表4 镀锌产品耐用年限的规定[5]

从以上资料数据可以看出，国家标准要求热镀层厚度一般在80μm左右或者以上，以此可以推算出设备的使用年限。市面上普通不锈钢AISI304的防腐性能并不是很理想，而且不锈钢对于污水处理行业中常出现的Cl-又很敏感，所以选用普通不锈钢并不能真正达到“不锈”的目的，同时不锈钢的价格也较高，一般用户难以接受。而采用碳钢加防腐涂层，可根据不同环境做针对性防腐，防腐性能并非一定比不锈钢差。

此外，考虑到国内污水污泥中的金属离子含量都比较高的实际情况，不可避免会产生电化腐蚀，在这种情况下，碳钢镀锌就显得更有优势。

5 经济性及其他因素对比

与不锈钢相比，热浸镀锌钢主要用于钢铁的防大气腐蚀，最大的优点就是价格便宜。根据MEPS钢铁价格数据可以知道，通常情况下，最为常用的AISI304材质的不锈钢价格一般为碳钢的5倍左右，AISI316L钢约为普通碳钢8.5倍以上。由于碳钢及不锈钢的价格相差太过悬殊，因此用不锈钢做的设备或者零部件远没有采用碳钢制造的经济性好。

此外，部件在设备中的关键性也是需要考虑的一个因素，基于不锈钢易腐蚀的特点，即突然失效性，在做材料选择时就不得不慎重考虑；当然还有其他种种因素，如美观性，不锈钢酸洗后的外观因批次或时间因素可能差异较大；而且用于不锈钢的酸洗钝化液污染严重，所以酸洗池的建设也是环保部门要严格控制的。