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725所失效分析中心为您解析不锈钢常见腐蚀类型

发布日期:2017-07-10浏览次数:
    不锈钢就是不容易生锈的钢铁,不锈钢中的主要合金元素是Cr(铬),只有当Cr含量达到一定值时,钢材有耐蚀性,不锈钢一般Cr含量至少为10.5%。不锈钢的耐蚀机理为钝化膜理论,即其表面形成一层极薄而坚固细密的稳定的富Cr钝化膜,防止氧原子继续渗入、继续氧化,从而达到防锈蚀的能力。
 
    不锈钢表面钝化膜形成图解
 
    人们认为“不锈钢是不生锈的,生锈的就不是不锈钢了”。其实这是对不锈钢缺乏了解的一种片面错误看法,不锈钢在一定的条件下也会生锈的。如果我们能够直观的了解不锈钢的各种腐蚀类型,面对不锈钢腐蚀时可以有相应的应对措施来减少损失。下面结合工程实际讲述几种不锈钢常见的腐蚀类型,简要介绍相应的抗腐蚀措施,并重点介绍不锈钢应力腐蚀原因及防治措施。
 
    不锈钢发生的腐蚀破坏多是局部腐蚀破坏,最常见的有晶间腐蚀(9%)、点蚀(23%)和应力腐蚀(49%)。
 
    晶间腐蚀
 
    晶间腐蚀是由于晶界上贫Cr,导致该区域优先腐蚀,进而使晶粒整体从金属上脱离。热处理450℃~850℃温度区间中C与Cr易形成碳铬化合物(Cr23C6),晶界处消耗的Cr不能及时从晶粒中得到补充,使晶界区域贫Cr,这是导致晶间腐蚀的关键。
 
    例如:某公司合成氨厂炉的工艺气预热管因为晶间腐蚀引起的开裂,发生泄漏事故。预热管出现晶间腐蚀是因为奥氏体不锈钢晶界析出Cr23C6,在管内Cl-作用下管子短期出现晶间腐蚀开裂。
 
    晶间腐蚀微观形貌及零件宏观图

 
    为了预防不锈钢发生晶间腐蚀,一般的解决办法:
    1、固溶退火金属被均匀加热到1050℃~1060℃,然后急速冷却;
    2、添加稳定化元素Ti、Nb等;
    3、选用低碳不锈钢。
 
    点蚀
 
    点蚀是一种很危险的局部腐蚀,发生小孔然后急剧进行腐蚀的现象,严重时可导致穿孔。点蚀的影响因素主要有:
 
    1、Cl-影响,Cl-使不锈钢钝化膜局部破坏,导致该部位优先发生腐蚀;
    2、温度影响,温度越高,腐蚀越快;
    3、表面附着污染物阻止了氧气流通。
 
    例如,日常生活中不锈钢(201或304不锈钢居多)水槽就经常发生点蚀现象。如果一些酸性或者盐类的物质盛放在水槽中未得到及时的处理,就会导致不锈钢水槽出现点蚀。
 
    出现点蚀现象的不锈钢水槽
 
    预防措施有如下几条:
    1、防止Cl-附着;
    2、进行合理的表面处理,形成稳定钝化膜;
    3、选择耐Cl-腐蚀性强的材料(如添加Mo的316L不锈钢)。
 
    应力腐蚀
 
    应力腐蚀是指在拉应力作用下,金属在腐蚀介质中引起的破坏。不锈钢的应力腐蚀是不锈钢失效中发生次数最多,后果最严重的腐蚀形式。若腐蚀过程中有轻微裂纹的产生,其扩展速率比其他腐蚀类型快几个数量级,造成灾难性的后果。化工厂,核电站,锅炉等都出现过不锈钢材料应力腐蚀开裂的现象。
 
    例如,①某药化企业羟基乙腈合成甘氨酸项目合成工段到浓缩段的316L不锈钢管到焊缝发生了严重的应力腐蚀开裂。该事故中应力腐蚀开裂起源于焊缝缺陷,焊接过程热处理控制不当出现晶间腐蚀,加之焊接中存在的残余应力导致在晶间腐蚀的基础上演变为应力腐蚀开裂。
 
    出现应力腐蚀开裂的316L管件
 
    ②核电站反应堆堆芯中堆内构件为304NG不锈钢,在高温高压、强辐照的水环境中,发生过辐照促进应力腐蚀(IASCC)现象。严格控制核电站服役环境是目前解决该问题最有效的方法之一。
 
    堆内构件发生辐照促进应力腐蚀(IASCC)
 
    研究应力腐蚀的实验是根据不同情况下应力腐蚀特征和实验目的来设计的。根据材料、环境、应力状态和实验目的不同,已发展了多种应力腐蚀实验方法。按实验地点和环境性质分现场试验、实验室实验和实验室加速实验;按加载方式分恒载荷实验、恒变形实验和慢应变速率拉伸实验。同样应力腐蚀实验的试样一般也分为三类:光滑试样、带缺口试样和预制裂纹试样。
 
    预制裂纹的CT试样
 
    不锈钢应力腐蚀问题得到了广泛的研究,提出了多种不同的机理来解释应力腐蚀现象,但迄今尚无公认的统一机理。由于应力腐蚀是一个与腐蚀有关的过程,其机理必然与腐蚀过程中的阳极和阴极反应有关,因而应力腐蚀机理主要分两大类:阳极溶解型和氢致开裂型,以及在这两类机理基础上发展起来的表面膜破裂理论、活性通道理论、应力吸附开裂理论、腐蚀产物楔入理论和闭塞电池理论等。
 
    表面膜破裂理论模型
 
    影响因素应力腐蚀的主要有三个方面因素:材料、腐蚀环境和拉应力。材料因素包括元素含量、热处理、微观组织及表面状态;腐蚀环境包括介质种类、温度、电位及液体流动速率;拉应力包括服役应力、安装应力、残余应力及拉伸速率等。
 
    解决办法:
    1、减少高应力部件的应力集中;
    2、防止氯离子的引入;
    3、避免产生应力的加工;
    4、热处理,消除应力;
    5、采用耐SCC的铁素体不锈钢;
    6、使用高Ni钢种
 
    在科学技术日新月异,科研水平不断提高的新时代,新材料的研发速度仍然赶不上问题的速度。在实际工程应用中不锈钢材料的腐蚀问题层出不穷,目前的防护措施虽然取得了一定的成效,但仍存在严重不足,各种防护手段都只能在一定范围内起到作用。合理选材,实时的检测依然是控制腐蚀的关键。