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铸铁管知多少
作者:fjt    文章来源:本站原创    点击数:651    更新时间:2015/10/21
什么是铸铁管?

  钢铁材料按照含碳量的多少来区分,含碳量低于2.1%的铁-碳合金称为「钢」,含碳量高于该值的则称为「铸铁」(cast iron)。更精确点说,铸铁是铁合金加上高达2.5wt﹪至3.8wt%的碳元素以及少量硅元素的总和,对大部份铸铁而言,碳元素以石墨形式存在,最常见铸铁包括灰铸铁、球状石墨铸铁、白铸铁和展性铸铁等,其中灰铸铁及球状石墨铸铁均被应用于自来水管材。灰铸铁(gray cast iron)中碳与硅含量分别介于2.5wt﹪和4.0wt%之间以及1.0wt﹪和3.0wt%之间,对大部份灰铸铁而言,石墨是以片状形式存在的,典型灰铸铁的显微组织为片状石墨,其破裂表面出现灰色状,因此称之为灰铸铁,铸铁材质应用于输水管已有数百年历史,法国凡尔赛宫早于1664 年即已采用铸铁管作为其主要输水干管。而球状石墨铸铁随着冶金工业进步于20 世纪中叶被开发问世,其与普通铸铁主要差异系在熔铁铸造生产的过程去除硫化物、并加入镁、硅等合金元素,使其内部形成球状石墨化的材料结构,较传统铸铁片状石墨更为紧密,因而强度更高且更具延展性及韧性,大幅提高管线耐冲击强度,适合用于现代自来水事业的输水管线。

 
片状石墨铸铁(灰口铸铁)

 
球状石墨铸铁(球墨铸铁)

图1 灰口铸铁 vs. 球墨铸铁

 

铸铁管材的破裂水压

  球墨铸铁管所能承受的最大破裂水压的计算方式如图2所示。依据日本延性铸铁管协会的建议,采用破裂水压的70%为管线的保证水压,且限制保证水压最高为10MPa,以增加安全系数并保障供水安全性,据此,各管径之保证水压如表1所示。在正常使用环境下,除少数管身遭严重腐蚀、铸造质量不良或遭受外力破坏的管段,球墨铸铁管一般较少发生管身破裂所导致的漏水,最主要漏水原因基本以接头因素造成,依据行业内的修漏实务经验显示,接头为影响管线漏水率的重要关键。

 
图2 管材耐水压计算式


 

表1 各管径保证水压

 

铸铁管的管道腐蚀
  腐蚀是指因工程材料与其周围的物质发生化学反应而导致解体的现象。通常该术语用来表示金属物质与氧化物如氧气等物质发生电化学的氧化反应。例如,使用金属铁制成的产品会由于铁原子在固体溶剂中发生氧化而导致生锈,这就是电化学腐蚀的一个众所周知的例子。这种反应通常会产生对应金属的氧化物,也可能产生盐。换句话说,腐蚀指的是金属物质因化学反应而导致的损耗。

  球墨铸铁在各种环境中的耐蚀性主要由其成分和微观组织结构决定。铸铁成分中各元素对其耐蚀性都有影响,碳、硅、锰、磷、硫是铸铁中必然存在的元素。

§  碳(C)碳量愈高,其组织中石墨和渗碳体的含量就愈高。阴极面积增大,析氢反应加速。在非氧化性酸中的腐蚀速度随含碳量增加而加快。在氧化性酸中,阴极组分石墨和渗碳体使合金易转变为钝态,腐蚀速度下降。在中性溶液中,阴极为氧的去极化作用,含碳量变化对腐蚀速度无重大影响。

§  硅元素(Si)球墨铸铁中通常都含有1%~3%的硅。当硅含量达到4%左右时,可适当增加铸铁的耐蚀性。而当硅含量达到14%以上时,铸铁的耐蚀性将显著提高。不过硅含量的增加会使得铸铁的力学性能变得很差,当硅含量大于16%时,铸铁就会变得很脆、很难加工、因此,铸铁中硅含量一般控制在14%~16%内。①硅的加入,可在铸铁表面形成致密的SiO2保护膜,这层膜具有很高的电阻率和较高的化学稳定性,阻止腐蚀介质对铸铁的进一步腐蚀。②硅的加入还可以使铸铁组织中的基体金属即阳极区域产生钝化,提高电极电位,有效地提高铸铁的抗化学腐蚀和电化学腐蚀能力。

§  锰(Mn)锰和硅在通常含量范围内(Mn0.5%~0.8%,Si 1%~2%),并不影响铸铁的耐蚀性能。

§  硫(S)硫与铁、锰反应生成硫化物呈单独相析出,起阴极夹杂物的作用,加速腐蚀(特别在酸性溶液中)。

§  磷(P)磷(0.05% ~0.5%),并不能改变铸铁在中性介质和大气条件下的耐蚀性能,但在某些介质,如未浓缩的无机酸溶液中,磷含量提高,促进析氢反应,导致耐蚀性下降。总的来讲,上述各元素在通常含量范围内对铸铁耐蚀性的影响并不明显。为了改善铸铁耐蚀性,通常向铸铁中加人Ni、Cr、Si、Cu和Al等合金元素;Ti(钛)、V(钒)等元素偶尔也作为合金元素加入。这些元索单独或联合加入对改善铸铁的耐腐蚀性和耐热性有很大的作用。

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