低壓流體輸送用薄壁不銹鋼管道有關的晶間腐蝕問題

摘要：本文依據國家有關不銹鋼低壓流體輸規范標準簡略介紹了不銹鋼及不銹鋼管道系統有關晶間腐蝕的概念，產生條件，預防措施，產生的危害，從而應秉持科學，嚴謹，專業的態度進行生產管理工作，避免巨大的經濟損失。

 

       當今，在低壓流體輸送管道領域，薄壁不銹鋼管道的開發應用在世界范圍內出現蓬勃發展的趨勢，多種管道的連接方式被運用到薄壁不銹鋼管道上面來。薄壁不銹鋼管道以其優越的性能和優點在低壓流體管道輸送領域大顯身手。特別是在輸水，輸氣，輸油，粉末輸送等民用，工業上不斷的開發應用日漸廣泛。

       薄壁不銹鋼管道有其優越的性能，但其加工過程相對來說比較復雜，某些加工環節專業性較強，所以 ，薄壁不銹鋼管道要想凸顯它的諸多優越性是在嚴格遵守，控制其加工工藝過程才能保證的，否則就會造成其巨大的經濟損失。所以，我們應該以科學，嚴謹，專業的態度認真對待此問題。

       在不銹鋼管道應用加工過程中存在諸多專業性非常強的問題，其中機械加工過程中的不銹鋼材質物理性能變化問題，焊接過程化學，物理變化問題，表面處理問題 應用維護問題都是比較突出的，無論處理不好哪一環節問題，不銹鋼管道的優越性都無法實現，甚至造成重大的工程質量問題。

       在諸多常見問題中不銹鋼管道的有關腐蝕問題是大家經常討論的，不銹鋼管道腐蝕形式有電偶腐蝕，點腐蝕 縫隙腐蝕，應力腐蝕，大氣腐蝕 氯離子腐蝕 晶間腐蝕，黯化，沖蝕，氯化物應力腐蝕斷裂，嵌入鐵屑腐蝕等常見的幾種形式，其中有些腐蝕相互作用，互相促進。現在就其中晶間腐蝕問題淺談一下。

何為晶間腐蝕？

        晶間腐蝕是局部腐蝕的一種。沿著金屬晶粒間的分界面向內部擴展的腐蝕。主要由于晶粒表面和內部間化學成分的差異以及晶界雜質或內應力的存在。晶間腐蝕破壞晶粒間的結合，大大降低金屬的機械強度。而且腐蝕發生后金屬和合金的表面仍保持一定的金屬光澤，看不出被破壞的跡象，但晶粒間結合力顯著減弱，力學性能惡化, 不能經受敲擊，所以是一種很危險的腐蝕。通常出現于黃銅、硬鋁合金和一些不銹鋼、鎳基合金中。不銹鋼焊縫的晶間腐蝕是化學工業的一個重大問題。

      不銹鋼在腐蝕介質作用下，在晶粒之間產生的一種腐蝕現象稱為晶間腐蝕。

        產生晶間腐蝕的不銹鋼，當受到應力作用時，即會沿晶界斷裂、強度幾乎完全消失，這是不銹鋼的一種最危險的破壞形式。晶間腐蝕可以分別產生在焊接接頭的熱影響區(HAZ)、焊縫或熔合線上，在熔合線上產生的晶間腐蝕又稱刀線腐蝕(KLA)。

 

晶間腐蝕

       不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質量分數必須大于10~12%。當溫度升高時，碳在不銹鋼晶粒內部的擴散速度大于鉻的擴散速度。因為室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%~0.03%，而一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過此值，故多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如(CrFe)23C6等。數據表明，鉻沿晶界擴散的活化能力162~252KJ/mol，而鉻由晶粒內擴散活化能約540KJ/mol，即:鉻由晶粒內擴散速度比鉻沿晶界擴散速度小，內部的鉻來不及向晶界擴散，所以在晶間所形成的碳化鉻所需的鉻主要不是來自奧氏體晶粒內部，而是來自晶界附近，結果就使晶界附近的含鉻量大為減少，當晶界的鉻的質量分數低到小于12%時，就形成所謂的"貧鉻區"，在腐蝕介質作用下，貧鉻區就會失去耐腐蝕能力，而產生晶間腐蝕。

      含碳量超過0.03%的不穩定的奧氏體型不銹鋼(即不含鈦或鈮的0Cr18Ni9不銹鋼)，如果熱處理不當則在某些環境中易產生晶間腐蝕。這些鋼在425-815℃之間加熱時，或者緩慢冷卻通過這個溫度區間時，都會產生晶間偏析，這樣的熱處理造成碳化物在晶界沉淀(敏化作用)，并且造成最鄰近的區域鉻貧化使得這些區域對腐蝕敏感。敏化作用也可出現在焊接時，在焊接熱影響區造成其后的局部腐蝕。

折疊產生產生條件產生條件

(1)晶粒和晶界區的組織不同，因而電化學性質存在顯著差異。--內因

(2)晶粒和晶界的差異要在適當的環境下才能顯露出來。--外因

預防措施

1 、調整焊縫的化學成份，加入穩定化元素減少形成碳化鉻的可能性，如加入鈦或鈮等。 

2 、減少焊縫中的含碳量，可以減少和避免形成鉻的碳化物，從而降低形成晶界腐蝕的傾向，含碳量在0．04%以下，稱為“超低碳”不銹鋼，就可以避免鉻的碳化物生成。

3、控制在危險溫度區的停留時間，防止過熱，快焊快冷，使碳來不及析出。

4、固溶處理

5、設計工藝時需要注意如下幾點

·在選擇不銹鋼前應對環境和可能的清洗制度進行評估，以確定沉積物、污染物、煙塵、氧化鐵顆 粒、二氧化硫和鹽的暴露；  

·采用一個雨水能沖走表面沉積物的設計；  

·在無法進行定期清洗的隱蔽處，采用較高級別的不銹鋼； 

·盡量減少暴露在潮濕空氣或強腐蝕介質區域的縫隙； 

·不銹鋼緊固件的耐蝕性要與被連接件相當或高于被連接件的耐蝕性； 

·決不允許在不銹鋼上使用碳鋼刷或鋼棉，而應使用不銹鋼刷或用惰性材料制成的軟毛刷； 

·決不允許在不銹鋼上及其周圍使用鹽酸或粗鹽酸。如果粗鹽酸不慎濺到不銹鋼表面上，應在不銹 鋼被嚴重腐蝕之前，立即用大量清水進行清洗； 

·在可能受潮的場合，異種金屬要彼此電絕緣。這可以通過惰性墊片、保護性涂層如油漆或其它防 止直接接觸的物理屏障來實現。異種金屬應避免用于可能有水而又無法使金屬絕緣地方； 

·如果設計要求焊件厚度超過 0.25 英寸（6mm），并且焊接區域要暴露在腐蝕環境中時，一定要使 用低碳型的不銹鋼（如 304L 和 316L），以降低敏化作用的危險和提高焊縫的耐蝕性能； 

·如果用填充金屬進行焊接，填充金屬的耐蝕性能應和基體金屬相當，或高于基體金屬的耐蝕性； 

·焊接缺陷，如氣孔、裂縫、鋼渣及焊接飛濺物是潛在的腐蝕源，應當修補或去除； 

·可見的焊縫應進行調整處理及拋光，使其與母材金屬表面加工相配合，注意除去殘留的飛濺物及 氧化色； 

·不要用先前在碳鋼上已使用過的研磨拋光或噴丸材料，以避免把碳鋼嵌入不銹鋼表面； 

·對先前在碳鋼上使用過的工具和工作區域要進行清理，以便去除鐵顆粒，防止它們轉移到不銹鋼 表面； 

·在制造、船運和安裝過程中，應當用紙或可剝性塑料膜對不銹鋼進行保護； 

·焊接前清洗不銹鋼表面的油脂、潤滑劑、油漆和蠟筆記號以防止焊接污染。由于在焊接過程中氣 體保護不當或氧化色去除不夠充分都可能導致不銹鋼表面鉻的貧化及由此而引起的耐蝕性降低； 

 

相關標準

國內和國際上現有關于晶間腐蝕的試驗標準主要有以下幾種方法:

GB/T 4334.(1~5)-2000不銹鋼晶間腐蝕敏感性試驗方法標準(根據不同材料敏感性選擇相應標準)

ASTMA262-2014 奧氏體不銹鋼晶間腐蝕標準方法

ISO 3651-(1-5):1998 不銹鋼耐晶間腐蝕的測定

JIS G (0571-0575):2003 不銹鋼耐晶間腐蝕的測定

ASTM_A763-93(W X Z):2004 鐵素體不銹鋼晶間腐蝕敏感性檢測

GB/T 15260-1994《鎳合金晶間腐蝕敏感性試驗方法標準》

GB/T 21433-2008《不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗》

CB/T 3949-2001 《船用不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕試驗方法》

GB/T 26491-2011 鋁合金晶間腐蝕試驗方法 質量損失法

ASTM G28 - 02(2008) Standard Test Methods for Detecting Susceptibility to Intergranular Corrosion in Wrought, Nickel Rich, Chromium Bearing Alloys (中文名稱:《鍛造高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標準試驗方法》

GB/T 7998-2005 《鋁合金晶間腐蝕測定方法》

HG/T 3173-2002 《尿素級超低碳鉻鎳鑰奧氏體不銹鋼晶間腐蝕傾向試驗》

以上簡單介紹了些有關不銹鋼晶間腐蝕的基本資料，可以看到產生不銹鋼晶間腐蝕現象不僅僅產生于材質本身更大量的是產生于不銹鋼加工焊接過程由于沒有嚴格控制焊接，固溶熱處理 工藝造成的，今天我們談到的薄壁不銹鋼管道即是如此，薄壁不銹鋼管道的生產制造過程離不開焊接和機械加工等工藝，薄壁不銹鋼管道使用環境復雜多樣多種形式的腐蝕協同發展，這樣就為不銹鋼的晶間腐蝕創造了實現的機會。

 

       在綜合腐蝕條件影響的情況下，不銹鋼管道在工程安裝使用一段時間后，晶間腐蝕的問題就會凸顯出來，因為發生晶間腐蝕不容易從外觀及早發現 ，一旦發現就是破壞性的。

       企業生產過程中應嚴格把關焊接，固溶處理，酸洗鈍化等生產環節，不能違反工藝流程，遺漏工藝環節 ，不為不銹鋼的晶間腐蝕創造實現的條件，所以應秉持科學，嚴謹，專業的態度進行生產，避免巨大的經濟損失。                             

 

 參考資料

1.  魏寶明．金屬腐蝕理論及應用：化學工業出版社，1984

2.  韓永超．316奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕機理與預防措施：門窗，2013 (7)