NACE炼厂腐蚀教材第十五章中文.docx

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NACE炼厂腐蚀教材第十五章中文

第十五章炼厂用的结构材料

学习目的

完成本章学习后，你将能够做到：

∙讨论腐蚀工程师在材料选择过程中的作用

∙识别和讨论在材料选择过程中恰当确定问题性质所需要的资料和行动

∙对几种可能的材料选择方案进行投资回报分析

∙对考虑选择的材料计算腐蚀速率、腐蚀余量、需要的壁厚

∙识别影响设备使用寿命的各种因素

∙识别和讨论在腐蚀性环境中规定工艺设备结构材料的三大主要类型

∙讨论国家标准对设计师的重要性

∙识别设计师在编制技术规范时应当强调的领域

∙识别设计师通过质量保证计划应当强调的领域

∙识别金属的几种机械性能、化学性能和物理性能，使它们适合炼厂应用

∙识别在炼厂设备中采用的炼厂用钢和其他金属与合金

∙讨论镇静钢在防止腐蚀方面的意义

∙比较常用合金元素对钢的影响以及它们的主要功能

∙识别和讨论炼厂防腐时采用的五类钢材

∙识别和讨论炼厂防腐时采用的四类铸铁

∙识别和讨论炼厂防腐时采用的四种其他金属和它们的合金

∙识别和讨论炼厂防腐时采用的三种非金属材料

∙确定热处理的定义并讨论热处理工艺，包括正火、退火、淬火、消除应力、固溶体热处理和特种热处理

∙识别设计师在制定完整的热处理技术规程时应当包括的各种参数

∙讨论质量控制程序，使设计师能够制定验证热处理是否得当的技术规程

∙比较和对比焊缝的预热处理和焊后热处理

∙识别与焊接有关的失效机理以及能够促进腐蚀的焊接内在特性

∙比较和对比设计师规定的焊接工艺并讨论用于确保焊接质量的方法和程序

腐蚀工程师的作用

在材料选择时，腐蚀工程师的作用非常重要。

他的决定直接影响着参与炼厂管道和设备的设计、制造、安装、维修的其他人员。

他的选择必须能够始终如一对以下五类问题提供令人满意的回答：

1.材料的机械特性怎么样？

如抗张强度、断裂韧性、延性、疲劳强度、硬度、高温强度与低温强度、热导率、密度、熔点等。

2.对工艺环境和大气环境的耐腐蚀性能怎么样？

3.实用特性怎么样？

如通过成型、铸造、热处理和焊接等能否成功地制造出规定的产品形状和生产能力如何？

4.现场安装和后续维修是否比较方便？

5.如预期设计寿命、可靠性和使用期成本（总的成本/使用期年数）？

与对上述大多数问题的预期回答不同，预测耐腐蚀性能既不准确也不绝对可信，特别是新的工艺。

在此，具备腐蚀工程实际经验是十分宝贵的。

腐蚀工程的最终措施包括：

1.设备性能是否令人满意？

2.总成本是否优化？

问题的确定

材料选择的第一步应当收集资料，确定存在什么问题。

资料包括以下这些：

1.熟悉所考虑的有关工艺特征，如压力、温度、工艺流体的组成，包括痕量组分。

2.识别以前设计过的和现在操作中的非常相似的工艺过程。

3.识别和分析在这些操作系统中可能存在的材料问题。

假如可能，识别与这些材料问题有关的腐蚀机理。

4.识别可以利用的技术支持的来源，包括公司内部的和外部的专业工程师、行业协会、工程材料标准出版单位等。

腐蚀工程中可以利用的一个特定的技术支持来源是NACE出版的技术月刊《材料性能》杂志。

还应对确定的问题提出具体解决办法：

∙选择和审查针对预期问题的各种解决方案。

∙编制明确的行动计划和方案，对各种可以选择的解决方案进行比较和评价。

评价各种可以选择的解决方案，应当比较以下各项：

1.每种方案下，腐蚀的相对易发性

2.方案如果失败，对人员和设备造成的安全后果

3.能否得到这样的材料，制造过程是否相对比较容易

4.制造后热处理的要求

5.操作的可靠性

6.可维修性

最后一步包括对所考虑的每种可以选择的解决方案有关经济性的计算。

首先，仅仅材料成本很少能够满足各种方案的比较。

成本比较应当包括：

∙总的材料费用

∙安装的人工费用

∙维修和计划外停工费用

∙更换费用

表15.1是进行这样评价的一个例子。

表15.1投资回报分析

费用类别

材料/解决方案A

材料/解决方案B

材料/解决方案C

安装费用（投资）

$45,000

$65,000

$60,000

超过“A”的额外费用

$20,000

$15,000

预期寿命

4年

6年

10年

估计维修率

10%

7%

5%

全年更换费用（安装费用?

预期寿命）

$11,250

$10,830

$6,000

全年维修费用（安装费用x维修率）

$4,500

$4,550

$3,000

全年总费用

$15,750

$15,380

$9,000

与“A”比较全年节省费用

$370

$6,750

按50%计算节省税款

$185

$3,375

比“A”好的投资回报（净节省金额?

额外费用）

0.9%

22.5%

以上例子证明，当考虑到所有因素时，最终结果几乎与初始成本没有关系。

但是，与此例子有关的一个困难是预期寿命的不确定性因素。

只有完美设计的装置和实验室试验才能够至少得出一定数量级估计结果。

腐蚀破坏

正如在第一章腐蚀和其他失效中讨论过的，总的说来，金属的腐蚀是依照电化学概念发生的。

按照这样的概念，整个腐蚀反应分为阳极部分和阴极部分，这些反应是在金属表面上互不相连的点上同时发生的。

局部电池产生的电流从阳极区流向阴极区，局部电池或者是在单一的金属表面形成的（因为局部表面上点与点之间存在的差异），或者是在不同金属之间形成的。

非金属材料的退化变质基本上是个物理化学过程而不是电化学过程。

塑料和其他非金属材料的退化变质一般表现为溶胀、龟裂、开裂和软化等。

其中有些材料在特定的环境中会迅速退化变质，而另一些材料实际上并不受这样的环境影响。

在有些条件下，非金属材料会出现逐步退化变质的现象。

但是，很少只用重量损失来评价非金属材料的耐化学性，而金属材料一般都是用重量损失来评价材料的耐化学性。

在评价选择结构材料时，设计师必须考虑到正在设计的设备所处的特定工艺条件下可能发生的腐蚀机理。

均匀腐蚀是炼厂中最常见的腐蚀形式。

但是，在材料选择过程中，也必须考虑到那些失效发生频率比较低的腐蚀形式。

例如，数百次均匀腐蚀失效可能使装置逐步发生泄漏，也许每次装置不必要停工就可以进行修补。

相比之下，即使只是一次灾难性的氢脆事故，整个装置可能必须马上停工。

腐蚀试验方法

以下这些主要的腐蚀试验类型是按照可靠性从大到小的顺序排列的：

1.处于腐蚀性介质中的成套装置设备的实际操作经验。

2.在工业或中试装置条件下，小型装置的经验。

3.现场取样试验。

这些包括暴露在装置腐蚀性介质中的腐蚀挂片、预应力样品和电阻探针。

4.实验室对暴露在实际装置流体或模拟环境中的样品进行试验。

显然，装置上的或现场的试验对选择能够适应特定环境的代用材料是最有用的。

通过这样的试验，也可以评价各种防腐方案的有效性，如评价使用缓蚀剂的效果。

能够用一项叫做全浸泡试验的实验室试验，筛选具有抗化学腐蚀性能的适用材料。

在NACE标准中有全浸泡试验的完整说明。

附录U就是NACE标准TM0169（最新版）《金属的实验室腐蚀试验》（得克萨斯州休斯顿NACE）。

根据试验结果能够识别腐蚀类型，根据所得数据可以计算出腐蚀速率。

以下是计算腐蚀速率的方程：

失重量x534

腐蚀速率=

面积x时间x金属密度

单位:

失重量，mg；浸泡时间，小时；浸泡金属面积，平方英寸；金属密度，g/cm3

显然，应用这样方程计算出的腐蚀速率应该适合特定的试验类型和观察到的腐蚀类型。

假定计算出的腐蚀速率真实有效，就能够用它计算出腐蚀余量，并得出所需要的壁厚。

示例:

考虑到机械性能:

壁厚=3/16英寸

腐蚀速率=15密耳/年

预期设备寿命=10年

总的腐蚀余量=0.015英寸（腐蚀速率每年）x10年=0.15英寸

最终需要的壁厚=0.15英寸+0.1875=0.3375英寸

规定的壁厚=3/8英寸（0.3375英寸）

规定的厚度3/8英寸是可以采用的最接近的标准板材厚度。

材料选择方法

设计师工作的重要内容之一就是恰当选择结构材料，也是通常需要着重强调的工作。

但是，还需要考虑到以下所有影响设备寿命的因素：

∙结构材料的选择

∙设计细节

∙材料规范

∙制造和检验

∙工艺过程操作

∙维修（费用和频率）

这些因素对设备的使用寿命都有影响，所以，设计师总应考虑到这些影响因素。

例如，要有最好的设备或结构设计，必须从耐腐蚀角度精心选择结构材料。

设计细节应当维护材料的耐腐蚀性能。

应当给供应商提供简要明确的书面技术规范，确保准确订购所需要的材料。

设备应当恰当制造并充分检查，确认其符合技术规范。

在规定设计参数范围内，操作设备是有时被忽略的一个因素。

装置工艺条件可能改变，但没有充分考虑到工艺条件的改变会对结构材料产生什么影响。

设备也必须恰当维修保养。

设计师必须考虑到所有这些影响因素，确保设备达到预期寿命。

当腐蚀失效发生时，通常与结构材料选择不当有关。

但是，在大量事例中，实际失效事故是由许多其他因素造成的。

聘用专业顾问

许多大公司，特别是在炼油工业，都有专门的材料工程部门，该部门训练有素的材料工程师直接与设计师在公司装置上协同工作，努力降低因为腐蚀造成的费用损失。

材料工程师应当精通他们指定服务的装置的工艺过程，对相应的腐蚀问题应当了如指掌，能够为设计师提出的任何设计问题提供咨询。

设计师也必须具备基本的腐蚀常识，能够辨别出是否存在腐蚀问题并向材料工程专家咨询。

必须克服一个基本误区，即不要等装置建造好后才考虑如何解决腐蚀问题，而应当在图板上设计工艺阶段就充分考虑到将来可能发生的腐蚀问题。

许多小公司内部没有专业的材料工程部门。

因此，在许多情况下，设计师在选择结构材料时，需要依靠工程材料的供应商给予指导。

许多材料供应商可以提供他们制造的材料的有用信息，因为他们曾经在特定产品上进行过许多腐蚀试验和机械性能试验。

他们也知道如何确保他们的产品在使用现场达到最佳性能。

但是，设计师在听取供应商的推荐意见时，应当格外谨慎。

作为商人，供应商总是要“王婆卖瓜，自卖自夸”。

例如，油漆商希望一切部件都涂刷油漆，而不锈钢供应商希望一切部件都采用不锈钢制造。

对这样的问题，为了避免设计师受到供应商宣传的误导，需要建立一个评价不同方案的工作程序。

这样，设计师无疑就能够在不同方案中，例如油漆或不锈钢之间，做出较好的选择。

材料规范

为确保设计师能够真正获得他精心选择的材料，他必须给供应商、制造厂或加工厂提供准确清楚的材料规范。

假如定单不够明确，供应商可能提供错误的或者不合适的材料。

对腐蚀环境中使用的工艺设备的结构材料，一般要在以下三方面做出具体规定：

1.化学组成和机械特性

2.制造方法和需要的热处理方法

3.形状、尺寸公差、表面光洁度

就第一项化学组成和机械特性而言，许多图纸上只是笼统地标注“镇静钢”或“炉膛质量钢板”，以此作为所需要钢材的完整的技术规范。

这样的规定等于在下达汽车定单时笼统地写上“汽车”。

这样买主收到的也许是辆克尔维特，也许是辆凯迪拉克。

镇静钢或者炉膛质量钢可以是低碳钢、中碳钢或高碳钢，是合金或者不是合金。

以下是规定化学组成和机械特性的重要性的一个事例，这是为墨西哥一家美国公司订购和建造的焊接塔。

在一次暴风中，这些塔断裂倒塌了。

事故原因是建造塔时用中碳钢代替了原来想要采用的低碳钢，焊缝发生了脆断。

在焊接部位，焊接产生的热量使焊缝周围部位温度升高，超过了这种钢材的临界温度下限，并且在空气中发生急冷时，未回火部位变脆，在暴风的强力作用下，最终发生断裂。

调查表明，既没有给塔的制造厂提供适用的材料规范，制造厂对实际要求也没有完全理解明白。

设计师必须保证非常明确地表达规定材料的所有要求，使所有有关方面和人员都明白无误。

就第二项制造方法和热处理而言，这也是很重要的。

制造方法，如焊接、钎焊、银焊、螺栓连接、铆钉连接、铸造、锻造等，必须做出具体规定，因为这些制造方法会直接影响所订购设备的耐腐蚀性。

热处理也是非常重要的，需要热处理时，应当做出仔细规定。

如果热处理不合适，能够对钢材的耐腐蚀性能以及强度和延性等产生非常有害的影响。

就第三项形状、尺寸公差、表面光洁度而言，重要的是要确保正确规定所有合适的尺寸。

技术规范应当包括所有尺寸的允许公差。

就腐蚀而言，壁厚和腐蚀余量也许是最重要的尺寸。

但是，表面光洁度在某些失效机理中也起着重要的作用，如疲劳开裂和应力腐蚀开裂。

规定特定的表面光洁度要求时，还应包括可以接受的表面光洁度的公差。

例如，假如奥氏体或含铬不锈钢设备的耐腐蚀性需要达到某种光洁度时，应当做出更具体地规定，而不是仅仅“要求光滑的或抛光的表面”。

应当具体规定表面粗糙度尺寸和可以接受的公差。

国家标准

对设计师而言，确保他能够从制造厂得到按照防腐要求设计的工艺设备的最好途径就是采用国家标准。

国家标准实际上代表了制造厂或供应商与客户之间就应当提供什么设备和能够提供什么设备所达成的协议。

这些标准不是一成不变的，因为需要对它们定期进行审查，年复一年地进行修订、改进或者改变特定的标准格式。

国家标准对设计师是非常有价值的，因为它们：

∙明确规定了工业上有的和任选的要求

∙为制定公司技术规范、图纸和定单提供了方便的参考

∙减少了误解，消除了认识上的分歧

∙代表一项生产标准，可以生产出更加统一的产品，减少产品之间的差异，减少不必要的库存，降低成本。

设计师可以利用的标准文献有数百种。

表15.2列出在美国颁布材料标准的一些组织机构。

表15.2美国颁布标准的组织机构

缩写

组织机构名称

AA

AluminumAssociation铝行业协会

AISI

AmericanIronandSteelInstitute美国钢铁学会

ANSI

AmericanNationalStandardsInstitute美国国家标准学会

API

AmericanPetroleumInstitute美国石油学会

ASME

AmericanSocietyofMechanicalEngineers美国机械工程师学会

ASTM

AmericanSocietyforTestingandMaterials美国材料试验学会

AWS

AmericanWeldingSociety美国焊接学会

AWWA

AmericanWaterWorksAssociation美国水厂协会

CDA

CopperDevelopmentAssociation铜业开发协会

CMA

AmericanCastMetalAssociation美国铸造金属协会

MTI

MaterialsTechnologyInstituteoftheProcessIndustries过程工业材料技术学会

NACE

NACEInternational美国国家腐蚀工程师学会

SAE

SocietyofAutomotiveEngineers汽车工程师学会

TEMA

TubularExchangerManufacturersAssociation管式换热器协会

许多政府部门也制定了相应的标准。

例如，美国商务部编制的许多标准通过美国国家标准和技术学会在工业界贯彻执行，还有美国海军、美国陆军和美国空军的军械与材料署也颁布了许多标准。

这些标准包括叫做QQS-联邦规范、MIL-S陆军-海军航空技术规范和航天材料技术规范（AMS）等。

公司标准

因为国家标准不能完全覆盖某些项目的具体要求或特定工艺的特定要求。

所以，许多公司编制了自己的标准。

也有这样的情况，因为公司必须解决国家标准没有涵盖的问题，所以才自己编制有关标准。

专门的材料规范、焊接程序和检查程序可能需要强调工艺中特定的腐蚀问题，如硫化物应力开裂或高温氢侵蚀。

在小公司里，有时把国家标准修订后来满足这样的需求。

而大公司里设有专门的标准部门，可以给设计师提供帮助。

在某家大型化学公司里，有一专门部门管理公司标准。

它有三十一个下属专业委员会，涵盖许多领域，如焊接、绝热保温、塑料、换热器及防腐层等，他们负责编制技术规范，并定期审查和修订。

由于这些技术规范是针对本公司特有的问题编制的，所以，公司设计师能够从中受益。

设计师编制技术规范时需要记住什么

1.技术规范要尽量编写得短小精悍，必须对各项要求和需要达到的质量水准做出明确的说明。

质量水准是保证工艺设备可靠性能的前提，这样，设备不会过早失效损坏。

2.应当避免含糊不清的陈述，如“所有设备和管道焊接后必须消除应力”。

例如，进行现场连接时，采用这样含糊不清的陈述，就可能不必要地增加制造成本，因为焊接后消除应力是很困难的，而用丝扣连接来取代，就不需要进行焊接了。

3.不要简单规定要求高质量的焊缝，而要具体说明要求达到什么样的质量水准才可以接受。

如果没有具体规定焊接质量验收标准，那么可能使要求混淆不清并造成质量问题。

例如，有家制造厂单独生产了数英里长的3英寸（76mm）直径AISI304L奥氏体不锈钢焊接管道。

原先的采购技术规范要求所有纵向焊缝100%进行射线照相检查。

当这样的管段在现场与管件焊接在一起时，他们对现场焊缝进行了射线照相，但是这样只能反映出现场焊接的那些焊缝的状况，而在许多情况下，较短的纵向焊缝的焊接质量是非常差的。

管子割开后，与管子制造厂进行了接洽。

这家制造厂顽固坚持自己的意见，他们指着自己满满一箱X光片，认为管子质量已经经过X光检查。

大家仔细查看了这些X光片，找到许多不合格的焊缝或者需要进行修补的焊缝的证据。

最终发现。

这家管子制造厂并没有仔细查看每一张X光片。

他们错误地认为X光穿过了这些焊缝，那么这样的焊缝就是达到射线照相检查质量的焊缝！

这个故事不是编造的！

幸好只有少量管子已经在现场焊接在一起了，及时查明了不合格的焊缝，淘汰了那些不合格的管子。

4.设计师不仅要规定焊缝合格的验收标准，还必须规定焊缝抽样检查的比例，如5%、10%、33%或100%。

5.编制技术规范时要考虑到成本。

不应当把技术规范编得过于严格而把令人满意的合格材料也排除在外。

此外，技术规范不应当对制造商有过分的限制，以至影响到他们的生产成本，最后影响到他们不必要的提高供货价格。

另一方面，技术规范决不可含糊不清，而允许质量不符合要求。

6.任何技术规范，总要把安全问题放在首位。

例如，假如必须进行气压试验，试压前，应当能够检查所有焊缝。

如果因为特殊的几何形状而无法用射线照相或超声波探伤检查的焊缝，试压前应当用液体渗透剂或磁粉探伤方法进行检查。

（假如在气压试验过程中发生爆裂，接受试验的设备会发生灾难性的事故）

7.凡是可能的时候，要努力降低成本，利用工业上有的材料按标准建造方法制造设备。

8.在技术规范最终定稿前，应请可能协作的制造厂审阅。

许多时候，制造厂的建议能够节省许多费用，因为他们更清楚如何最好最省制造出他们的产品。

应当初步规定设备应当具有怎样的性能，而不是详细说明制造厂应当如何建造它们。

例如，分馏塔的塔盘或填料应由塔盘制造厂来设计而不是由分馏塔的设计师来设计。

当然，前提是假定这样的制造厂是可靠的、称职的，并且已经证实他们有能力以有竞争力的价格制造出质量稳定的产品。

9.要特别注明需要进行的试验以确保质量。

10.技术规范中应当仔细注明，买方需要在制造期间检查的设备，这样，制造厂就能够做出安排，使买方检验人员在适当的时候到厂检查设备。

11.假如只有某一品牌的产品才能完成所要求的工作，不必介意规定采用这种品牌或产品目录号的产品。

当然，前提是假定这样的制造厂是可靠的、称职的，并且已经证实他们有能力以有竞争力的价格制造出质量稳定的产品。

为控制质量设计师应询问的问题

关注材料耐腐蚀性的设计师必须采取某些手段来控制质量。

否则，制造厂制造的设备无法满足他设计的设备预期的耐腐蚀性能。

在采购定单中应当具体说明他的质量控制计划。

要记住，设计师能够也应当控制产品的质量。

设计师可以采用的检查方法有许多种，但是，他在规定采用一种或几种检查方法前，他应当解答以下几个关键问题：

∙这种工艺条件的腐蚀性如何？

∙工艺流体组分的毒性如何？

∙这种结构材料容易发生哪种特定类型的腐蚀？

如裂隙腐蚀或应力腐蚀开裂等。

∙这种结构材料的耐腐蚀性对化学组成变化的敏感性如何？

∙将要采用什么连接方法？

这种结构材料的耐腐蚀性对这样的连接方法（如焊接）的敏感性如何？

∙该制造厂的竞争能力如何？

他们自行检验的信誉如何？

他们是否使用通过焊接规范考核的合格焊工？

他们有无正式的形成文件的质量保证和质量控制体系？

∙是否需要热处理（无论是为了设备的稳定性或是耐腐蚀性）？

∙假如需要热处理，这种结构材料对热处理的敏感性如何？

∙这种结构材料原先在钢厂生产时对炼钢工艺的敏感性如何？

∙假如采用焊接作为连接方法，填焊金属对腐蚀性能的影响如何？

根据对这些问题的解答，就能够编制成一份质量保证计划。

按照美国质量控制学会概括的定义，质量是产品或服务的特点和特性的全部，其决定了该产品或服务满足特定需求的能力。

简单来讲，质量控制就是要适合使用。

适合使用

设计师应当决定需要采用什么检查方法或质量验证方法保证适合使用条件。

记住这点，设计师应当与其检验部门、技术人员、可能采用的制造厂进行磋商，决定采用什么检验方法来保证质量。

检验成本是要考虑的，不必进行过度检查，如可以由证实称职的制造厂把质量检验纳入日常工作之中。

但是，在其他条件下仍应进行彻底检查，因为这样才能够节省大量费用并消除安全危险。

炼厂的结构材料

引言

纯金属和它们的合金是石油炼厂和化工厂采用的主要结构材料。

金属具有优越的机械性能，它们能够很好适应外部负载。

以下是一些重要的机械特性：

∙强度–承受负载的能力，如炼厂设备需要承受压力的强度。

∙延性–趋向鼓胀或撕裂而不发生爆裂或断裂。

∙韧性–吸收冲击负荷不发生脆断的能力。

∙硬度–良好耐磨性指标。

∙塑性–轻微变形可以复原。

∙蠕变稳定性–负载下低流动速率。

金属还有一些与负载无关的极佳的化学性能和物理性能，所以适合炼厂使用。

它们是：

∙抗氧化性–高温下不会生成氧化皮。

∙耐腐蚀性–在许多不利的炼厂环境中依然持久耐用。

∙高熔点–高温下保持稳定性能所必需的。

∙热导性–理想的良好传热性能。

金属和合金还有极好的可加工能力，包括：

∙可焊性–容易连接和采用合金堆焊。

∙易成形–拉伸、弯曲、镦锻、卷制。

∙易铸造–可以制造复杂的形状。

∙可机加工性–切削、剪切、研磨。

∙可进行热处理–允许改变和控制机械性能。

低碳钢和中碳钢至少占炼厂全部用量的80%，常常调整工艺设计和机械设计以便采用碳钢材料。

例如，为了适合采用碳钢，可以降低工艺温度，干燥烃流体，注入缓蚀剂，或者放宽腐蚀余量。

由于炼油工艺已经发展并且变得越来越复杂，所以，需要有适用的结构材料应对更苛刻的压力、温度和腐蚀性工艺条件。

“炼厂用钢”的概念已经扩大为需要满足大部分炼厂设备用途的钢材。

表15.3列出部分炼厂用钢以及它们的标称组成。

注意，这些是按合金添加量从少到多的顺序排列的。

表15.3炼厂用钢

合金

标称组成

碳钢

0.10%-0.30%C,0.30%-1.0%Mn,余量Fe

碳-1/2钼

0.10%-0.20%C,0.50%Mo,余量Fe

1-1/4Cr-1/2Mo

0.15%Cmax.,1.25%Cr,0.5%Mo,余量Fe

2-1/4Cr-1/2Mo

0.15%