二氧化碳（CO2）与水共存的介质环境在化工、石油化工、化肥、食品及碳捕集（CCUS）等行业极为常见。CO2溶于水后形成弱酸性的碳酸（H2CO3），对金属材料产生特有的”甜腐蚀”（sweet corrosion）。与硫化氢引起的”酸腐蚀”（sour corrosion）不同，CO2腐蚀不需要酸性气体，只要存在水和CO2即可发生。选材不当将导致设备腐蚀减薄、穿孔甚至失效，直接威胁生产安全。
本文依据 GB/T 150.1~4-2024、TSG 21-2016、GB/T 713.7-2023、NB/T 47015-2023、HG/T 20569-2013 等核心标准，系统梳理含CO2+水介质的压力容器选材思路。
1. CO2腐蚀机理与影响因素
1.1 腐蚀机理
干燥的CO2气体本身对碳钢和低合金钢几乎没有腐蚀性。但当环境中同时存在液态水时，CO2溶解于水形成碳酸，使水溶液pH值降至3~5，引发电化学腐蚀。其基本反应如下：
阴极：H2CO3 + 2e– → H2↑ + HCO3–
总反应：Fe + H2CO3 → FeCO3↓ + H2↑
腐蚀产物 FeCO3（碳酸亚铁）能否在金属表面形成致密保护膜，是决定腐蚀速率的关键。当条件有利时，FeCO3膜可显著降低腐蚀速率；当条件不利时，膜破裂或无法成形，腐蚀速率急剧增大。
1.2 影响腐蚀速率的主要因素
| 影响因素 | 对腐蚀速率的影响 | 说明 |
|---|---|---|
| CO2分压 pCO2 | 分压越高，腐蚀越快 | pCO2<0.05 MPa通常腐蚀轻微；pCO2>0.2 MPa腐蚀严重 |
| 温度 | 非单调关系 | 60℃前后腐蚀速率最高（FeCO3膜最不稳定）；>100℃后膜致密，腐蚀减缓 |
| Cl–含量 | 越高越危险 | Cl–破坏钝化膜，引发点蚀和应力腐蚀开裂 |
| pH值 | 越低越快 | pH<4时腐蚀速率急剧增大；pH>6时可形成保护膜 |
| 流速 | 过高加速腐蚀 | 高流速冲刷破坏FeCO3保护膜，形成冲刷腐蚀 |
| 水含量 | 含水率越高越严重 | 关键判据：是否有”游离水”析出。气相中微量水不足以引起严重腐蚀 |
2. 选材的基本原则
2.1 选材依据
GB/T 150.2-2024 §4.7（p52）明确规定：
对于含CO2+水的介质，”介质特性”这一条尤为关键。设计时需要明确：
- CO2分压（决定腐蚀动力学的核心参数）
- 操作温度（影响FeCO3膜的稳定性）
- 水含量及是否有游离水
- Cl–浓度（影响不锈钢的点蚀和应力腐蚀风险）
- pH值（直接影响腐蚀速率）
- 流速（影响冲刷腐蚀风险）
2.2 介质特性确认
GB/T 150.3-2024 §4.1.4（p126）要求设计时：
这意味着设计单位在接受设计委托时，必须从用户设计条件（UDS）中获取关于CO2含量、水含量、操作温度和压力等完整信息，并据此判断腐蚀类型（均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀等），确定腐蚀裕量。
2.3 失效模式识别
GB/T 150.1-2024 §4（p9）列出了容器建造中需考虑的主要失效模式，其中长期失效模式包括：
- 腐蚀和磨蚀（corrosion and erosion）[GB/T 150.1-2024 §4 b)，p9]
- 环境助长断裂（environmentally assisted cracking）[GB/T 150.1-2024 §4 b)，p9]
对于CO2+水介质，”腐蚀和磨蚀”对应均匀腐蚀和冲刷腐蚀；”环境助长断裂”则对应CO2环境下的应力腐蚀开裂（SCC）。设计者必须针对这些失效模式在材料选择、结构设计、制造检验等方面提出安全措施[GB/T 150.1-2024 附录F §F.1.3，p47]。
3. 碳钢和低合金钢的适用条件
碳钢（如Q245R、Q345R）和低合金钢是最经济的压力容器材料。在CO2+水介质中，它们会发生均匀腐蚀，但通过合理设置腐蚀裕量，在温和工况下仍可使用。
3.1 适用条件
- CO2分压较低（一般 pCO2 < 0.05 MPa）
- 介质中含水率有限或间歇性含水
- 操作温度避开60℃前后的腐蚀峰值区
- 无Cl–或Cl–浓度极低（碳钢对Cl–不敏感）
- 流速适中，无严重冲刷风险
3.2 腐蚀裕量
GB/T 150.1-2024 §5.3.6.3（p12）对腐蚀裕量做出了明确规定：
a) 对有均匀腐蚀或磨损的元件，根据预期的容器设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率（及磨蚀速率）确定腐蚀裕量；
b) 容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；
c) 介质为压缩空气、水蒸气或水的非合金钢或低合金钢制容器，腐蚀裕量不小于1 mm。”[GB/T 150.1-2024 §5.3.6.3，p12]
对于CO2+水介质，虽然标准条款c)中的”水”主要指纯水或常规工业水，但CO2溶解后的水溶液本质上仍是一种水介质。从保守角度出发，碳钢和低合金钢制容器的腐蚀裕量至少应满足1 mm的下限要求，实际工程中通常根据腐蚀速率和设计使用年限计算确定，取值往往远大于1 mm。
厚度附加量的计算公式为：
其中 C1 为材料厚度负偏差（按 §5.3.6.2 和材料标准确定），C2 为腐蚀裕量（按 §5.3.6.3 确定）。
3.3 最小厚度要求
GB/T 150.1-2024 §5.3.6.4（p13）还规定了壳体加工成形后（不包括腐蚀裕量）的最小厚度：
| 材料类型 | 最小厚度 | 条款 |
|---|---|---|
| 非合金钢、低合金钢制容器 | 不小于 3 mm | §5.3.6.4 a) |
| 高合金钢制容器 | 不宜小于 2 mm | §5.3.6.4 b) |
[GB/T 150.1-2024 §5.3.6.4，p13]
3.4 搅拌设备的特殊要求
对于机械搅拌设备（如含CO2的反应釜），HG/T 20569-2013 对腐蚀裕量有补充规定：
4. 不锈钢选型
当碳钢无法满足腐蚀要求时，不锈钢是首选的升级材料。用于压力容器的不锈钢钢板应符合 GB/T 713.7-2023 的规定，许用应力按 GB/T 150.2-2024 附录C 表C.2 确定。
4.1 常用不锈钢牌号对比
| 统一数字代号 | 新牌号 | 对应AISI | Rm /MPa | Rp0.2 /MPa | 许用应力(20℃) /MPa | 关键特征 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| S30408 | 06Cr19Ni10 | 304 | 520 | 230 | 153 | 基本型铬镍奥氏体不锈钢，耐均匀腐蚀 |
| S31608 | 06Cr17Ni12Mo2 | 316 | 520 | 220 | 147 | 含Mo 2%~3%，耐点蚀和缝隙腐蚀优于304 |
| S31603 | 022Cr17Ni12Mo2 | 316L | 520 | 210 | 140 | 超低碳+含Mo，耐晶间腐蚀和点蚀最佳 |
| S32168 | 06Cr18Ni11Ti | 321 | 520 | 220 | 147 | 含Ti稳定化，耐晶间腐蚀好，高温强度优 |
[GB/T 150.2-2024 附录C 表C.2，p85-86；GB/T 713.7-2023]
4.2 Mo元素的关键作用
在CO2+水介质中，若同时存在Cl–（如地层水、冷却水带入的氯离子），不锈钢的点蚀和应力腐蚀开裂风险急剧增大。Mo元素能有效提高不锈钢耐Cl–点蚀的能力：
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- S30408（无Mo）：耐均匀腐蚀良好，但在含Cl–环境中极易发生点蚀和应力腐蚀开裂，Cl–浓度控制要求严格（一般要求 ≤25 mg/L）
- S31608/S31603（含Mo 2%~3%）：耐点蚀性能显著优于304，适用于含中等Cl–浓度的CO2+水环境
- S31603（超低碳，C≤0.030%）：因碳含量更低，焊接后耐晶间腐蚀性能最佳，优先用于焊接结构和后续无法固溶处理的场合
4.3 使用温度范围
GB/T 150.2-2024 §5.2.9（p60）规定了壳体用不锈钢钢板的使用温度下限：
| 不锈钢类型 | 使用温度下限 | 使用温度上限 |
|---|---|---|
| 奥氏体型（S30408/S31608/S31603等） | -269 ℃ | 700 ℃ ~ 800 ℃（按许用应力表） |
| 奥氏体-铁素体型（双相不锈钢） | -40 ℃ | 按各牌号规定 |
| 铁素体型 | 0 ℃ | 按各牌号规定 |
[GB/T 150.2-2024 §5.2.9，p60；§4.9，p53]
奥氏体型不锈钢的宽温域范围使其适用于绝大多数CO2+水工况，从低温CO2储存到中高温反应过程均可覆盖。
4.4 晶间腐蚀试验
GB/T 150.2-2024 §5.2.6（p59）要求：
CO2+水属于腐蚀环境，因此所用奥氏体不锈钢钢板必须进行晶间腐蚀试验并合格。S31603因超低碳特性，在晶间腐蚀敏感性方面具有天然优势。
4.5 应力腐蚀试验
GB/T 150.2-2024 §4.12（p54）进一步规定：
对于含Cl–的CO2+水环境，设计文件可要求按上述标准进行应力腐蚀和点腐蚀试验，以评估材料在特定工况下的适用性。
5. 不锈钢-钢复合板方案
当设备尺寸较大、全不锈钢造价过高时，不锈钢-钢复合板是兼顾耐蚀性和经济性的理想方案。基层（碳钢或低合金钢）承担强度，覆层（不锈钢）提供耐蚀性。
5.1 技术要求
GB/T 150.2-2024 §5.3.1（p60）对不锈钢-钢复合板做出了明确规定：
| 项目 | 要求 | 条款 |
|---|---|---|
| 技术标准 | 符合 NB/T 47002.1 的规定 | §5.3.1 a) |
| 覆材选用 | 对不计入强度计算的奥氏体型不锈钢覆材，可选用GB/T 20878中的钢材，技术要求允许低于GB/T 713.7（耐腐蚀性能除外） | §5.3.1 a) |
| 级别 | 1级或2级，未结合率≤2%，设计文件中注明级别 | §5.3.1 b) |
| 使用温度 | 同时符合对基材和覆材使用温度范围的规定 | §5.3.1 c) |
| 结合剪切强度 | ≥210 MPa | §5.3.1 d) |
[GB/T 150.2-2024 §5.3.1，p60]
5.2 许用应力计算
GB/T 150.1-2024 §5.4.3（p15）给出了复合板的许用应力计算公式：
其中：[σ]1为基层材料在设计温度下的许用应力，[σ]2为覆层材料在设计温度下的许用应力，δ1为基层名义厚度，δ2为覆层厚度（不计入腐蚀裕量）。[GB/T 150.1-2024 §5.4.3 公式(2)，p15]
5.3 适用场景
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- 大型CO2吸收塔、再生塔（直径大、壁厚大，全不锈钢造价高）
- CO2储罐（需兼顾耐蚀性和经济性）
- 含CO2的反应釜和分离器
- CCUS（碳捕集、利用与封存）装置中的关键设备
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6. 设计总图的腐蚀标注要求
GB/T 150.1-2024 §5.3.7.2（p13）对设计总图的标注内容提出了明确要求，与CO2+水介质直接相关的包括：
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- 介质特性（毒性和爆炸危害程度）[§5.3.7.2 a) 2)]
- 介质组分、腐蚀裕量 [§5.3.7.2 a) 3)]
- 对有应力腐蚀倾向的储存容器还应注明腐蚀介质的限定含量 [§5.3.7.2 a) 3)]
- 预防腐蚀的要求 [§5.3.7.2 a) 11)]
-
[GB/T 150.1-2024 §5.3.7.2，p13]
7. 焊接材料选择
焊接材料的耐蚀性能不应低于母材。GB/T 150.2-2024 §9.9（p70）明确规定：
常用不锈钢的焊接材料选用建议：
| 母材 | 焊条 | 气体保护焊焊丝 | 埋弧焊焊丝-焊剂 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| S30408 | E308-15/16 | S308 | S308+焊剂 | 匹配型，成分相当 |
| S31608 | E316-15/16 | S316 | S316+焊剂 | 含Mo，匹配型 |
| S31603 | E316L-15/16 | S316L | S316L+焊剂 | 超低碳焊材，保证焊缝耐晶间腐蚀 |
| 复合板覆层焊接 | 过渡层用E309 | 过渡层用S309 | — | 先焊过渡层（高合金），再焊覆层面 |
[NB/T 47015-2023；GB/T 150.2-2024 §9，p68-71]
7.1 复合板焊接要点
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- 焊接顺序：先焊基层（碳钢/低合金钢焊材），再焊过渡层（高合金焊材如E309），最后焊覆层面（匹配不锈钢焊材）
- 过渡层：由于基层和覆层成分差异大，过渡层焊材需选用Cr、Ni含量较高的E309或E309L，以稀释基层成分对焊缝的影响
- 覆层面：选用与覆层匹配的焊材（如覆层为S31603则用E316L），保证焊缝耐蚀性能
-
7.2 焊后热处理
奥氏体不锈钢制压力容器一般不要求焊后热处理（PWHT）。但对于复合板容器，当基层厚度超过NB/T 47015-2023规定的PWHT免除界限时，需进行PWHT。此时应注意：
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- PWHT按基层材料的要求执行（按 GB/T 30583 规程）
- PWHT温度应避开不锈钢敏化温度区间（450℃~850℃），防止覆层晶间腐蚀敏感性增大
- 必要时，PWHT后对覆层进行晶间腐蚀检验
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8. 典型工况选材建议
综合上述标准要求和工程经验，针对不同工况条件的CO2+水介质，推荐选材方案如下：
| 工况分级 | CO2分压 | 温度 | Cl–含量 | 推荐材料 | 腐蚀裕量 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 轻微腐蚀 | <0.05 MPa | 常温~100℃ | 无 | Q245R / Q345R | ≥1 mm（按计算） | 最经济方案，碳钢+腐蚀裕量即可 |
| 轻度腐蚀 | 0.05~0.2 MPa | 常温~150℃ | ≤25 mg/L | S30408 | 可不计 | 基本型不锈钢，耐均匀腐蚀良好 |
| 中度腐蚀 | 0.05~0.5 MPa | 常温~200℃ | 25~200 mg/L | S31603 | 可不计 | 含Mo+超低碳，耐点蚀和晶间腐蚀 |
| 中重度腐蚀 | >0.2 MPa | 60℃前后（峰值区） | >200 mg/L | S31603 + 堆焊层 | 可不计 | 考虑增加Inconel 625堆焊层或选用双相不锈钢 |
| 大型设备 | 0.05~0.5 MPa | 常温~200℃ | ≤200 mg/L | Q345R+S31603复合板 | 覆层3~5mm | 兼顾强度、耐蚀和经济性 |
| 高温高压 | >0.5 MPa | >100℃ | 任意 | 双相不锈钢/镍基合金 | 具体评估 | 需进行应力腐蚀评估和专项试验 |
9. 设计选材流程总结
将上述标准要求整合为完整的选材决策流程：
Step 1：确认介质条件
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- 从用户设计条件（UDS）获取CO2含量、水含量、操作温度和压力[GB/T 150.1-2024 §5.2.2.1 a) 3)~4)，p10]
- 确认是否存在游离水（干燥CO2无腐蚀风险）
- 检测Cl–浓度、pH值等关键腐蚀参数
- 确定介质特性（腐蚀性、毒性、爆炸危险性）及介质分组[GB/T 150.3-2024 §4.1.4，p126]
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Step 2：评估腐蚀风险
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- 计算CO2分压 pCO2
- 评估温度对FeCO3膜稳定性的影响
- 评估Cl–对不锈钢点蚀和SCC的风险
- 评估流速对冲刷腐蚀的影响
- 识别失效模式：均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀、冲刷腐蚀[GB/T 150.1-2024 §4，p9]
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Step 3：选择材料
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- 依据使用条件、材料性能、制造工艺和经济合理性选材[GB/T 150.2-2024 §4.7，p52]
- 根据GB/T 150.2-2024确定材料牌号、许用应力、供货状态[GB/T 150.3-2024 §4.1.6，p126]
- 大型设备优先考虑不锈钢-钢复合板[GB/T 150.2-2024 §5.3.1，p60]
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Step 4：确定腐蚀裕量
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- 均匀腐蚀：按腐蚀速率×设计使用年限确定[GB/T 150.1-2024 §5.3.6.3 a)，p12]
- 碳钢/低合金钢含水介质：≥1 mm[GB/T 150.1-2024 §5.3.6.3 c)，p12]
- 搅拌设备：碳钢/低合金钢≥1 mm，高合金钢可不计[HG/T 20569-2013 §4.0.2 第4款，p5]
- 不同元件可采用不同腐蚀裕量[GB/T 150.1-2024 §5.3.6.3 b)，p12]
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Step 5：标注设计文件
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- 在设计总图上注明介质特性、腐蚀裕量[GB/T 150.1-2024 §5.3.7.2 a) 2)~3)，p13]
- 有应力腐蚀倾向时注明腐蚀介质限定含量[GB/T 150.1-2024 §5.3.7.2 a) 3)，p13]
- 注明预防腐蚀的要求[GB/T 150.1-2024 §5.3.7.2 a) 11)，p13]
- 要求晶间腐蚀试验并规定评价指标[GB/T 150.2-2024 §5.2.6，p59]
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Step 6：焊接与制造要求
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- 焊接材料耐蚀性能不低于母材[GB/T 150.2-2024 §9.9，p70]
- 复合板按”基层→过渡层→覆层”顺序焊接
- 奥氏体不锈钢道间温度控制≤150℃
- 必要时进行应力腐蚀/点腐蚀试验[GB/T 150.2-2024 §4.12，p54]
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10. 常见误区与纠正
| 常见误区 | 正确理解 | 标准依据 |
|---|---|---|
| “不锈钢一定比碳钢好” | 干燥CO2无水时碳钢即可；低分压+低温+无Cl–时碳钢+腐蚀裕量更经济 | GB/T 150.2 §4.7 经济合理性 |
| “S30408足够耐CO2腐蚀” | S30408耐均匀腐蚀良好，但在含Cl–环境中易发生点蚀和SCC，应选S31603 | GB/T 150.2 §4.12 应力腐蚀试验 |
| “腐蚀裕量统一取2 mm即可” | 应根据腐蚀速率和设计年限计算确定；不同元件腐蚀程度不同可采用不同裕量 | GB/T 150.1 §5.3.6.3 a)~b) |
| “复合板覆层可计入强度” | 覆层厚度不计入腐蚀裕量；满足结合率≥2级板时可计入覆层强度，按公式(2)计算 | GB/T 150.1 §5.4.3；GB/T 150.2 §5.3.1 |
| “不锈钢不需要腐蚀裕量” | 标准规定”高合金钢腐蚀裕量可不计”（HG/T 20569），但不是”不得计入”。在特殊腐蚀工况中仍可设置 | HG/T 20569 §4.0.2 第4款 |
| “CO2不会引起应力腐蚀” | CO2+Cl–+水环境下奥氏体不锈钢存在SCC风险；设计总图需注明腐蚀介质限定含量 | GB/T 150.1 §5.3.7.2 a) 3) |
11. 结语
含CO2+水介质的压力容器选材，核心在于“先判介质、再选材料、后定裕量”三个环节：
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- 判介质：确认CO2分压、温度、Cl–浓度、pH值、流速等关键参数，判断是否存在游离水，识别可能的失效模式
- 选材料：从碳钢→不锈钢→复合板，逐级升级；含Cl–时优先选含Mo的S31603；大型设备优先选复合板兼顾经济性
- 定裕量：按腐蚀速率和设计年限计算腐蚀裕量；碳钢≥1 mm为底线，不锈钢一般可不计；不同元件可采用不同裕量
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选材决策必须落实在设计文件中——设计总图上需注明介质特性、腐蚀裕量、应力腐蚀介质限定含量及预防腐蚀要求，确保从设计到制造的全过程可控。
