1、奧氏體不銹鋼在Cl介質中使用的腐蝕危害束潤濤1、奧氏體不銹鋼概述奧氏體不銹鋼以304,321,304L,316L為典型代表，由于合金元素的不同而分別耐多種介質條件的腐蝕，廣泛應用于石油、化工、制藥、電力以及民用工業等。304與321相比，后者為了改善焊接性能在材料中添加了鈦元素。由于金屬鈦的活潑性高于碳元素，使鈦對焊接熱影響區的鉻起到穩定的化合作用，從而避免了材料在焊接熱影響區由于貧鉻而導致的晶間腐蝕。304和321在大多數介質條件中的耐腐蝕能力是相當的，只是在強酸沖刷腐蝕環境中，321材料的焊縫邊緣有刀狀腐蝕現象。304L 則是以進一步控制碳的方法來改善材料的焊接性能，但由于碳含量的降低，導

2、致材料的強度與321相比有所下降。316L（00Cr17Ni14Mo2）奧氏體鋼是超低碳且含Mo的奧氏體不銹鋼，在許多介質條件中有良好的耐均勻腐蝕和坑點腐蝕性能。Ni含量的提高(14%)有利于奧氏體相的穩定。316L在抗晶間腐蝕、高溫硫、高溫環烷酸和坑點腐蝕的能力方面要明顯優于304（0Cr18Ni9）和321（0Cr18Ni10Ti）不銹鋼材料。根據大量的實驗和實際使用證明，316L在Cl腐蝕環境中的耐應力腐蝕能力僅與304和321材料相當，在工程使用中由于應力腐蝕失效的概率要大于50%，當使用介質中含有10ppm以上的Cl時，其應力腐蝕的危害性就相當明顯了，因為Cl會在某些部位產生聚集，如

3、循環水當中的垢下、換熱管與管板之間的縫隙、機械損傷、以及焊縫熱影響區的應力集中部位等。需要指出的是，經固熔或穩定化處理的奧氏體不銹鋼材料在沒有加工應力和焊接應力的情況下，它們導致應力腐蝕的破壞性并不很明顯。2、Cl對金屬材料的腐蝕機理2.1點腐蝕任何金屬材料都不同程度的存在非金屬夾雜物，如硫化物、氧化物等等，這些在材料表面的非金屬化合物，在Cl的腐蝕作用下將很快形成坑點腐蝕形態。而一旦形成坑點以后，由于閉塞電池的作用，坑外的Cl將向坑內遷移，而帶正電荷的坑內金屬離子將向坑外遷移，從而形成電化學腐蝕。由于Cl的原子半徑非常小，金屬當中的任何非金屬夾雜物以及焊接缺陷都將成為Cl滲透的腐蝕源頭。對于

4、合金含量較低且不含鉬的不銹鋼材料，雖然表面具有較致密的氧化膜，但在Cl的作對于合金含量較低且不含鉬的不銹鋼材料，雖然表面具用下很容易發生坑點腐蝕，繼而誘導應力腐蝕。在不銹鋼材料中，加Mo的材料比不加Mo的材料在耐點腐蝕性能方面要好，Mo含量添加的越多，耐坑點腐蝕的性能越好。而點腐蝕是誘發應力腐蝕的起源，當鋼中的Mo含量3%時，就能達到充分阻止Cl向材料基體滲透的作用。在奧氏體不銹鋼中，Ni的主要作用是形成并穩定奧氏體，使鋼獲得完全奧氏體組織，提高材料的韌性，同時可以起到很好的抗氧化腐蝕能力。但普通奧氏體鋼中的Ni在有Cl腐蝕的環境中起不到抗點腐蝕的作用。2.2縫隙腐蝕縫隙腐蝕與坑點腐蝕機理一樣

5、，是由于縫隙中存在閉塞電池的作用，導致Cl富集而出現的腐蝕現象。這類腐蝕一般發生在法蘭墊片、搭接縫、螺栓螺帽的縫隙，以及換熱管與管板孔的縫隙部位，縫隙腐蝕與縫隙中靜止溶液的濃縮有很大關系，一旦有了縫隙腐蝕環境，其誘導應力腐蝕的幾率是很高的。2.3應力腐蝕Cl對奧氏體不銹鋼的應力腐蝕破壞性極大。奧氏體不銹鋼應力腐蝕的重要變量是溫度、介質、非金屬夾雜物的形態/大小和分布以及加工應力的影響。應力腐蝕的破裂方向一般與應力的作用垂直，并呈樹枝狀擴展。應力來源于冷變形、焊接和金屬鈍擊后的殘余應力等，這些應力的產生使金屬內部穩定的組織得到了破壞，導致晶粒在應力方向的作用下位錯而形成滑移臺階，這些滑移臺階的構

6、成給Cl帶來了吸附和滲透的機會。耐氯化物應力腐蝕性能試驗【1】在上述腐蝕環境中，超純鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼的試驗時間均超過1000小時而不發生斷裂。由此可見，普通奧氏體不銹鋼是不耐氯化物應力腐蝕的。3、奧氏體不銹鋼在Cl環境中的腐蝕案例盡管奧氏體不銹鋼在Cl環境中存在點腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕特征，但點腐蝕和縫隙腐蝕都將發展成為應力腐蝕形態，最后將對設備直接構成破壞性的腐蝕失效。現列舉幾個奧氏體不銹鋼腐蝕失效的具體事例，以供探討。3.1 由于焊接問題所引起的應力腐蝕焊縫熱影響區的應力腐蝕奧氏體不銹鋼焊接部位的失效首先表現在焊縫熱影響區，繼而向焊縫中心和母材兩側擴展。奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數是

7、鐵素體鋼的1.35倍，在焊接熔池的熱膨脹作用下，鋼水流動性增強，冷卻時在焊接熔池內受收縮作用的影響，產生較大的收縮變形和一定的拉應力，因此產生應力腐蝕的可能性加大。此外，奧氏體不銹鋼的敏化溫度為650，如果焊后不立即進行快速冷卻處理，焊接熔合區和熱影響區也會因為貧鉻而導致腐蝕電位降低，使Cl容易在該部位吸附，進一步由點蝕擴展成為應力腐蝕裂紋。如某單位一效蒸發器的介質為125的檸檬酸，材料選用為316L，實際應用使用的周期僅46個月時間，腐蝕主要發生在焊縫邊緣。檸檬酸本身的腐蝕并不強，但檸檬酸中由工藝水中夾帶有200300ppm的Cl，根據其腐蝕實際發生在焊接熔合區和熱影響區附近來判斷，是氯離子

8、直接構成了對316L不銹鋼的應力腐蝕。由于316L材料在焊接過程中，會在焊接熔合線邊緣產生貧鉻，使材料熔合線附近的晶格產生空隙，給氯離子的聚集提供了條件，因此會造成設備在短時間內腐蝕破壞。該材料的腐蝕破壞為氯離子點腐蝕后在焊接應力的作用下進一步擴展的應力腐蝕特征。3.1.2焊接飛濺所引起的應力腐蝕設備在焊接時若不對母材進行保護，而任由飛濺物和焊瘤與母材熔為一體，這將產生很大的冷卻收縮應力，并使飛濺物和焊瘤與母體相連的面積內的母材呈橫向柱狀晶發展。盡管焊接后可以用砂輪機將焊瘤和飛濺打磨平整，但由于該部位材料的組織已發生變化，晶粒變得粗大，方向性明顯，極易造成點蝕和應力腐蝕破壞。如某單位一臺316

9、L的環己烷污水分離器，使用1年后就發生腐蝕泄漏。檢修時在罐內發現了大量制造過程中經打磨焊瘤和飛濺物所留下來的痕跡。在焊瘤和飛濺物部位，大部分均可用肉眼看到腐蝕坑點，有一些盡管用肉眼看不到坑點，但實際上已經產生了微小的點腐蝕坑。經檢測，該設備腐蝕介質條件中，僅有極少量乙酸和氯離子，在入口處的氯離子含量僅25ppm。應該說該腐蝕環境并不足以在如此短的時間內對316L構成應力腐蝕危害，實際上在很容易發生應力腐蝕的焊縫熔合線兩側并沒發現腐蝕裂紋。下圖為316L的分離罐由于焊接原因，在僅有少量氯離子環境中導致腐蝕泄漏的圖片。圖1為焊接時野蠻起弧后，在氯離子環境中所構成的貫穿性裂紋。圖2為焊接時大量飛濺對

10、設備所構成點腐蝕的破壞性影響。3.2 由于加工硬化所引起的應力腐蝕3.2.1由于碰撞和錘擊所引起的應力腐蝕不銹鋼在機械碰撞和錘擊之后，會產生較大的拘束應力，而呈放射狀的應力形成方向即是產生樹枝狀應力腐蝕裂紋的根源。在大量的工程應用中，我們發現了許多類似的腐蝕形態。因此，在制作這類不銹鋼時，容規第108條【2】強調了必須使用專業場地和專業設備的必要性。不僅要防止鐵離子污染，而且還要防止強力組裝和機械撞擊。3.2.2 由于冷變形所造成的應力腐蝕316L、304和321等普通奧氏體不銹鋼在鹵化物介質中，最容易導致應力腐蝕的主要原因在于制作方面的因素。從理論上來說，該類材質在變形量較大時存在冷變形的相

11、變，即在脹接和彎曲時，材料中的奧氏體組織會產生馬氏體相變，使變形部位的屈服強度大幅上升，在變形量達到20%以上時會成倍上升至抗拉強度指標附近，而抗拉強度的上升幅度僅為20%左右，導致屈/強比值接近。這是由于一旦冷變形較大時，部分不穩定的奧氏體會發生馬氏體轉變，即通常所說的冷作硬化。奧氏體不銹鋼在有應力腐蝕的環境中使用，所有冷變形較大的部位均要進行固熔處理或穩定化處理，如封頭和U型管的R部分等。316L與304相比，盡管在添加Mo的同時提高了Ni，使Ni由原來的9%上升到了14%，增加了鋼的奧氏體穩定性能，使加工硬化現象得到較大改善，但仍存在應力腐蝕危害。3.2.3換熱管由于脹接應力所引起的應力

12、腐蝕換熱管在強度脹和貼脹之后，在臺階處的附加應力很大，據文獻介紹，由機械貼脹所引起的附加應力達到100MPa以上【3】，而機械強度脹的附加應力則更大。因此，該材質換熱器的應力腐蝕失效主要是在管頭部位焊縫邊緣的熱影響區和機械脹接的臺階處。國內大多數機械制造廠家生產的奧氏體不銹鋼換熱器的應力腐蝕失效，幾乎完全出現在換熱管脹接的臺階處和管頭焊接的熱影響區，其微觀腐蝕形態均呈樹枝狀裂紋。脹接應力所帶來的危害要遠大于焊接應力所帶來的危害，其應力腐蝕優先于焊接應力。在國外，為了避開焊接應力所帶來的危害，一般均采取柔性強度脹接的聯結方式。國外在管口鉆孔的尺寸精度、管子外徑的尺寸精度要比國內大多數制造廠精確得

13、多。此外，國外的脹接方式采用的是液袋式的柔性脹接，采取先預脹、后緊脹的方法，使脹接的附加應力達到最低狀態，其腐蝕失效的概率比國內機械脹接的要低得多。但在有Cl使用的部位一般也不會隨便使用奧氏體不銹鋼材料，材質往往上升為雙相不銹鋼材料，如SAF2205等，但其價格要昂貴得多。如某單位有12臺不銹鋼換熱器，管束材質為1Cr18Ni10Ti，管程使用介質為循環水，入口溫度20，管外為油氣，入口溫度130。換熱管的連接方式為強度焊加帖脹。使用一年以后，在管頭部分多次發生嚴重的腐蝕泄露。后經取樣分析發現，腐蝕泄露完全發生在管材的脹接部位，裂紋形成于脹與未脹的臺階處，其裂紋擴展的尖端部位已部分貫穿。在該使用工況中循環水的Cl含量為35130ppm，而在水垢中的Cl含量則達到16000多ppm。4、結論綜上所述，304、321、316L等奧