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奧氏體不銹鋼彎頭開裂原因分析及防護措施

文檔作者：鐘鐵文檔來源：攀鋼集團鈦業有限責任公司		點擊數：	更新時間： 2021年10月14日
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第36卷第1期
2014年2月
四JII冶金
Sichuan Metallurgy
Vo1．36 N0．1
Feb．，2014
文章編號：1001—51O8(2O14)O1一OO66一O5
奧氏體不銹鋼彎頭開裂原因分析及防護措施
鐘 鐵
(攀鋼集團鈦業有限責任公司，四川攀枝花617000)
摘要：針對四氯化鈦生產過程中的介質特點，分析了奧氏體不銹鋼在氯化物介質中產生開裂的
原因，探討了腐蝕發生的條件、機理和特征，并結合現場處理經驗提出了工程上可相應采取的防護
措施。
關鍵詞：奧氏體不銹鋼；應力腐蝕；影響因素；防護措施
中圖分類號：TG142 文獻標識碼：A
The Cracking Analysis and Protective M easures
of Austenitic Stainless Steel Elbow
ZHONG Tie
(Pangang Group titanium industry Co．，Ltd．Panzhihua 617000，Sichuan，China)
Abstract：This paper aims the media characteristics in titanium tetrachloride production process．
Analyzes the reason why the austenitic stainless steels is cracking in chloride media．Explores the
conditions。mechanism and characteristics when the corrosion Occurs．And combined the scene
experience in handling，proposed corresponding protective measures which can be taken in the
project．
Key words：austenitic stainless steel；stress corrosion；factors；protective measures
1 引言
在化工企業生產過程中，應用了大量與
各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質接觸的化工機械
與設備，特別是處于高溫、高壓、高流速工況
下，這些設備的腐蝕問題尤為突出。其中不
銹鋼由于具有優良的耐蝕性和良好的熱塑
性、冷變形能力及可焊性而成為化工行業中
重要的耐腐蝕材料，在很多化工裝置中其不
銹鋼使用量已達4O 之多。但不銹鋼的耐
腐蝕性能是有針對性的，如它在空氣、水、中
性溶液和各種氧化性介質中是穩定的，而在
其它的一些介質條件下則可能發生腐蝕破
壞，不銹鋼發生的腐蝕破壞多是局部腐蝕破
壞，最常見的有應力腐蝕開裂，點腐蝕，晶間
腐蝕，腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕。
某公司海綿鈦生產過程中采用不銹鋼套
管冷卻器對四氯化鈦進行冷卻，與四氯化鈦
接觸的材料為奧氏體不銹鋼(1Crl8Ni9Ti)，
與冷卻介質接觸的材料為Q235A鋼。套管
作者簡介：鐘鐵，助理工程師，主要從事海綿鈦生產及相關設備管理工作。
第1期 sichuan Metallurgy
冷卻器熱則采用180。彎頭焊接連接。在生產
過程中由于粗四氯化鈦液體中雜質含量較
高、管路系統密封不嚴，經常造成套管冷卻器
管道堵塞。在拆除清洗、疏通時發現套管冷
卻器不銹鋼彎頭內側沿彎頭橫切面出現多處
裂紋，裂紋成脆性斷口形貌，裂紋與裂紋之間
為平行排列，彎頭外觀、幾何尺寸及金屬表面
光澤元顯著變化(見圖1)。
圖1 冷卻器不銹鋼彎頭開裂情況
2 奧氏體不銹鋼的失效類型
(1)應力腐蝕開裂(SOC)。應力腐蝕開裂指
承受應力的合金在腐蝕性環境中由于裂紋的擴
展而產生失效的一種形式。應力腐蝕開裂具有
胞f生斷口形貌，但它也可能發生于韌性高的材
料中。發生應力腐蝕開裂的必要條件是要有拉
應力(指參與應力和外加應力，或者兩者兼而有
之)和特定的腐蝕介質存在。裂紋的形成和擴
展大致與拉應力方向垂直。導致應力腐蝕開裂
的應力值，要比沒有腐蝕介質存在時材料斷裂
所需要的應力值小得多。在微觀上，穿過晶粒
的裂紋稱為穿晶裂紋，而沿晶界擴展的裂紋稱
為沿晶裂紋，當應力腐蝕開裂擴展至一定的深
度時(此處承受荷載的材料斷面上的應力達到
它在空氣中的斷裂應力)，則材料就按正常的裂
紋(在韌性材料中，通常是通過顯微缺陷的聚
合)而斷開(見圖2)。
(2)點腐蝕。點腐蝕也稱為小孔腐蝕，是
電化學腐蝕的一種形式，是不銹鋼常見的局
部腐蝕的一種。不銹鋼極好的耐腐蝕性能是
由于在鋼的表面形成了看不見的氧化膜使其
成為鈍態的。若鈍化膜被破壞，不銹鋼將被
腐蝕。點腐蝕的形貌特征為：僅在表面局部
出現腐蝕凹坑。或將凹坑的表皮去掉，則可
看到嚴重的腐蝕坑。腐蝕坑有時被一層腐蝕
產物覆蓋，將其去除后，可看見嚴重的腐蝕
坑。另外，在特定的環境條件下，腐蝕坑會呈
現出寶塔狀的特殊形貌。
(31)晶間腐蝕。不銹鋼的晶粒間界腐蝕
是一種沿著或緊挨著晶界發生的腐蝕。這種
腐蝕是在某些熱處理條件下由于碳化鉻沿晶
界析出，在鄰近晶界處形成貧鉻區及該區在
腐蝕介質中優先溶解所造成的。沿著晶粒間
發生的腐蝕是很嚴重的破壞現象。因為這種
腐蝕是晶粒間喪失結合力以致材料的強度幾
乎完全消失。金屬發生晶間腐蝕后，外觀上
幾乎不會有任何變化，幾何尺寸及金屬表面
光澤不變，但其長度和伸長率顯著降低。當
受到冷彎變形，機械碰撞或流體的劇烈沖擊
后，金屬表面出現裂紋，甚至酥脆，稍加用力，
晶粒自行脫落，失去金屬聲。在進行金相檢
查時，可以看到晶階或鄰近地區發生沿晶界
均勻腐蝕的現象，有時可看到晶粒脫落。在
對斷裂間的斷口用掃描電鏡觀察時，可見冰
糖塊狀的形貌特征。
產生晶間腐蝕的原因一般認為是晶界上
存在夾雜物或析出某些化合物(如碳化物或
d相)，致使晶粒邊界的基體金屬電極電位降
低。當表面存在電介質時，腐蝕便由晶界產
生而逐漸向內部發展。某種材料是否發生晶
間腐蝕，取決于材料，介質體系的特征。在這
種體系中，材料的晶界區域比晶粒本體的溶
解速度大，所以發生晶間腐蝕。

第1期 Sichuan Metallurgy
b、發生氫脆失效的材料具有氫脆敏感組
織。金屬材料的組織不同，它的氫脆敏感性
不同，當材料具有氫脆敏感性大的組織時，才
會發生氫脆。在各種不同的顯微組織中，對
氫脆敏感性從大到小的一般順序為馬氏體、
上貝氏體(粗大貝氏體)、下貝氏體(細貝氏
體)、索氏體、珠光體、奧氏體。
c、存在拉應力作用。氫脆的作用者是金
屬材料中的氫。這些氫在濃度梯度的作用下
擴散而占據晶體點陣中的孔隙、晶界、空穴、
位錯、沉淀相及夾雜物與基體的界面、氣孔等
缺陷。在拉應力的作用下，由于氫與局部應
力場交互作用，會產生向缺口根部、微裂紋尖
端等應力集中區域擴散，形成氫的高度偏聚，
并在這些部位產生氫脆斷裂。
通常在考慮應力腐蝕和腐蝕疲勞問題
時，經常要提到氫脆。而對于奧氏體不銹鋼，
氫在奧氏體組織中的擴散系數很低，相對其
他組織可以說奧氏體組織能夠阻止氫的擴
散。在有的場合，鈍化膜能有效地阻止氫的
擴散，因此本文認為奧氏體不銹鋼在四氯化
鈦溶液中的開裂現象幾乎可以排除氫脆的
影響。
3 奧氏體不銹鋼彎頭產生開裂的原因分析
(1)彎頭的殘余應力未消除，應力除了由
載荷產生的工作應力外，更多的是來自制造
過程產生的殘余應力，如冷加工、焊接、熱加
工、熱處理以及裝配過程中引起的殘余應力。
套管換熱器彎管在內壓以及熱應力、焊接殘
余應力等的作用下，會具備一定水平的拉應
力條件。
(2)在套管換熱器管道內主要介質為四
氯化鈦液體，其中還含有氯化鐵、氯化鈉等氯
化物。由于套管換熱器無吹掃、排放裝置，在
管道內聚集部分四氯化鈦液體和固態氯化
物。在長時間停車過程中造成進入空氣和水
滴，導致四氯化鈦水解而堵塞管道，又因氯化
物中含有一定的氯離子使材料的抗腐蝕能力
降低，導致了腐蝕的加速。
(3)套管換熱器管道材料為
1Crl8Ni9Ti。此材料是最常用的奧氏體不銹
鋼之一，它的耐蝕性能、強度和塑性均較高，
而且焊接性能也良好，因而廣泛應用于對耐
蝕性能要求較高的部件。但奧氏體不銹鋼在
氯離子環境中很容易產生應力腐蝕，且一般
呈穿晶斷裂。
由以上分析可知，圖1彎頭內壁開裂為
應力腐蝕開裂。滿足構成應力腐蝕斷裂所具
備的三個條件：一是要有足夠大的拉伸應力
(應超過某一極限值)；二是要有特定的腐蝕
環境(包括腐蝕介質的成分、濃度和溫度等)；
三是金屬材料要具有特定的合金成分和組織
(包括晶粒大小、晶粒取向、形態、相結構、各
類缺陷等)。
4 奧氏體不銹鋼應力腐蝕的機理
(1)應力腐蝕的機理
就應力腐蝕的機理來說，目前尚處于研
討階段。對于各種不銹鋼一環境體系，目前
就有許多應力腐蝕理論，其中，主要的解釋學
說有電化學陽極溶解理論、氫脆理論、鈍化膜
破理論、吸附理論等等，這些理論帶有不同的
側重點，只能解釋特定環境介質下的應力腐
蝕開裂。但對于應力腐蝕發生的機理，普遍
認為：在較大的應力作用下，金屬材料的原子
處于不穩定的高能狀態，在特定的腐蝕介質
作用下，原子容易失去電子而使材料遭受腐
蝕，進而發生脆裂，即產生微裂紋；由于微裂
紋的應力集中效應，使材料的脆裂得以快速
擴大，最終導致材料斷裂。
(2)應力腐蝕斷裂的過程
四川冶金 第36卷
應力腐蝕破裂的過程可分為三個階段：
第一階段為腐蝕引起裂紋或蝕坑的階段，也
即是導致應力集中的裂紋源生核孕育階段，
常稱之為潛伏期或誘導期；接著為裂紋擴展
階段，即由裂紋源或蝕坑發展到單位面積所
能承受最大載荷的所謂極限應力值時的階
段；最后是失穩純力學的裂紋擴展階段，即破
裂期。第一階段受應力影響相對較小，時間
長，約占破裂總時間的9O 。如果材料在一
開始使用時就存在裂紋或蝕坑等缺陷，則應
力腐蝕破裂過程只有裂紋擴展和失穩快速斷
裂兩個階段。所以應力腐蝕破裂可能發生在
很短時間內，也可能發生在幾年后。如圖3
所示。
到
(3)應力腐蝕的裂紋特征和斷口形貌
不銹鋼應力腐蝕的微觀形貌多為穿晶
型，但也多見沿晶型和穿晶(沿晶混合型；裂
紋寬度較小，而擴展較深；裂紋主干又有分
枝，典型裂紋多貌似落葉后的樹干和樹枝，裂
紋尖端較銳利。裂紋擴展方向一般垂直于施
加(或殘余)應力的方向。不銹鋼應力腐蝕的
宏觀斷口呈脆性斷裂。斷口的微觀形貌，穿
晶型常見河流、扇形、魚骨、羽毛等花樣；沿晶
型則多為冰糖塊狀花樣(見圖1、圖2)。
從不銹鋼應力腐蝕的裂紋特征和斷口形
貌也可以判斷出不銹鋼的應力腐蝕是在沒有
先兆的情況下發生的脆性斷裂，因此它的危
害性極大。
5 防護措施
控制應力腐蝕失效的方法，應從內因人
手，合理選材；從外因人手，控制應力、控制介
質或控制電位等。實踐中需根據實際情況具
體使用。
(1)選用耐應力腐蝕材料
近年來發展了多種耐應力腐蝕的不銹
鋼，主要有高純奧氏體鉻鎳鋼，高硅奧氏體鉻
鎳鋼，高鉻鐵素體鋼和鐵素體一奧氏體雙相
鋼。其中，以鐵素體一奧氏體雙相鋼的抗應
力腐蝕能力最好。
(2)控制應力
通過固溶后的穩定化處理，可消除部分
應力，也能明顯改善材料抗氯化物開裂性能，
但在考慮采用這種部分消除應力的方法時應
很好地權衡由敏化可能造成的各種問題。
(3)嚴格遵守操作規程
工藝操作、工藝條件對奧氏體不銹鋼的腐
蝕有巨大的影響。因此，必須嚴格控制介質成
分、流速、介質溫度、壓力、pH值等工藝指標。
在工藝條件允．許的范圍內添加緩蝕劑。
(4)維修與管理
為保證套管式換熱器長期安全運行，應
嚴格執行有關換熱器方面的條例、法規，對存
在的缺陷必須進行復查，及時掌握其在運行
中缺陷的發展情況，采取適當的措施，減少設
備的腐蝕。
參考文獻：
[1] 王笑天．金屬材料學[M]．機械工業出版
社，1987．
[2] 陸世英．不銹鋼[M]．原子能出版社，1995．
[3] 陳匡民．化工機械材料腐蝕與防護[M]．化學
工業出版社，1995．
[4] 張德康．不銹鋼局部腐蝕[M]．科學出版
社，1986．

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