不銹鋼夾層鍋在氯離子環境中的腐蝕及預防措施

李成超張誠棟 崔云龍 劉華偉

（泰安市特種設備檢驗研究院)

不銹鋼夾層鍋在氯離子環境中的腐蝕及預防措施

李成超*張誠棟 崔云龍 劉華偉

（泰安市特種設備檢驗研究院)

在定期檢驗過程中發現，材質為SUS304的不銹鋼夾層鍋存在多處裂紋、點腐蝕、孔蝕等缺陷。通過宏觀檢測、材質分析等檢測方法對其進行腐蝕分析，結果表明，奧氏體不銹鋼在拉應力、高溫、高濃度氯離子的共同作用下產生應力腐蝕開裂。

夾層鍋不銹鋼氯離子拉應力腐蝕開裂措施

夾層鍋又名蒸汽鍋，廣泛應用于各類食品加工等行業，是提高食品加工質量、縮短加工時間、改善勞動條件的良好設備。夾層鍋產品材質一般選用奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼具有非磁性和良好的耐蝕性、加工性等特點[1]。奧氏體不銹鋼在產品使用過程中會出現應力腐蝕開裂等情況。奧氏體不銹鋼在氯離子環境下使用，氯離子含量應小于25× 10－6，否則就會發生應力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕。事實上，蒸煮食品用夾層鍋中醬料的氯離子含量濃度很高。分析氯離子對不銹鋼的腐蝕情況，并采取有效的預防措施，可以保障特種設備的安全運行。

1 蒸汽夾層鍋的性能參數

東平某食品廠共有14臺固定式蒸汽夾層鍋，殼體和夾套材質均為SUS304，均于2005年由蒼南縣某石化設備公司制造，主要性能參數見表1。

表1 夾層鍋主要性能參數

全面檢驗是壓力容器定期檢驗重要的內容，檢驗人員用肉眼或用儀器檢測容器易發生缺陷的內表面，且檢測試驗方法易實施。全面檢驗以宏觀檢查、壁厚測定、表面無損檢測為主[2]。

蒸汽夾層鍋的結構如圖1所示。夾層鍋工作過程：夾套內通入高溫蒸汽水，內筒放入食品、水及一定配比的醬料，蒸煮完成后盛取食品，最后用自來水對殼體內部及外側進行沖洗。2016年4月，對14臺蒸汽夾層鍋進行定期檢驗時，對所有夾層鍋進行壁厚測定及滲透檢測，發現有8臺夾層鍋外側角焊縫及熱影響區有多處裂紋，殼體內壁有大量點腐蝕及小孔腐蝕，其余6臺也有不同程度的腐蝕情況。為確定裂紋、腐蝕類型及其產生原因，對殼體及夾套進行了材質分析，并對裂紋、腐蝕處進行相應的檢測分析，以便采取相應的預防措施。

圖1 蒸汽夾層鍋示意圖

2 檢測情況

2.1 宏觀檢測及無損檢測

滲透檢測是一種以毛細作用原理為基礎的檢查表面開口缺陷的無損檢測方法，在特種設備行業中應用廣泛[3]。在此次檢驗過程中，對夾層鍋進行了滲透檢測，發現了相關顯示（缺陷中滲出的滲透劑所形成的痕跡顯示）。

通過對檢驗現場的觀察，如圖2所示，夾層鍋外側角焊縫及熱影響區有多處開裂性裂紋，開裂方向大致與焊縫方向平行。此外，殼體內部有大量點蝕、小孔腐蝕及機械損傷情況。經厚度測定，夾層鍋壁厚無明顯腐蝕減薄。

圖2 夾層鍋外部角焊縫滲透檢測缺陷部位

2.2 材質分析

材質分析結果如表2所示。由表2可見，材質符合SUS304標準要求，屬于奧氏體不銹鋼。

表2 夾層鍋殼體和夾套化學成分分析結果

3 腐蝕原因分析

3.1 水中較高濃度氯離子及pH值對腐蝕的影響

現在自來水消毒大都采用氯化法。氯氣易溶于水，與水結合生成次氯酸和鹽酸，因此自來水中氯離子含量偏高。我們對水質進行檢測，水中的氯離子含量在40～80 mg/L之間，pH值大于2。夾層鍋在操作中存在蒸汽帶水的現象，并且盛取食品過程中也會出現盛具帶出水的情況。由于氯離子一般不易蒸發到蒸汽中，這就可能導致氯離子在局部位置濃縮聚集，增加夾層鍋應力腐蝕開裂的敏感性，而高濃度的氯離子與夾層鍋外側角焊縫及熱影響區接觸，就會引發應力腐蝕開裂。在pH值大于2的情況下，不銹鋼易發生應力腐蝕開裂現象。

3.2 腐蝕環境

蒸煮食品過程中加入的醬料富含氯離子，而奧氏體不銹鋼對含有氯離子的介質非常敏感,醬料中氯離子的存在，將會導致金屬產生應力腐蝕開裂。由于氯離子半徑小，穿透能力強，極易穿透鈍化膜中極小的孔隙，氯離子將優先吸附在鈍化膜上，把氧原子擠掉，然后與鈍化膜中的陽離子結合生成可溶性氯化物，使鈍化膜遭到破壞。在應力作用下，被破壞的鈍化膜區域就容易產生裂紋，從而使不銹鋼發生應力開裂。不銹鋼在外加陽極極化條件下開始活化，鈍化膜破壞區域的金屬直接暴露在腐蝕環境中，成為腐蝕電池的陽極區，發生陽極溶解，使附近區域的腐蝕加深，最后形成孔蝕。連續不斷的電化學腐蝕最終可能導致金屬的斷裂。

3.3 應力和溫度的影響

審查分析夾層鍋的出廠資料（竣工圖、產品質量證明書、容器設計文件等相關技術資料）[4]，也有助于對夾層鍋裂紋的進一步分析。夾層鍋上發現的多處裂紋均發生在焊縫及熱影響區，由此說明夾層鍋夾套和殼體在焊接時產生的焊接殘余應力沒有完全消除，焊縫附近區域存在較大的拉應力。另外，夾層鍋工作時，由于介質蒸煮工藝的要求，加熱和冷卻的交替工況引起了循環熱應力，從而使殼體內表面不斷受拉應力及內壓力引起的膜應力的作用，引起應力腐蝕開裂[5]。在高溫工況下，應力腐蝕開裂的敏感性隨溫度的升高而升高。

4 預防措施

（1）降低夾層鍋的殘余應力。在夾層鍋的生產制造過程中，對焊接工藝、焊接材料進行嚴格的質量控制，并對應力集中部位盡可能實施消除應力處理。

（2）對夾層鍋的管理人員和操作人員進行專業培訓，使他們了解相關的應力腐蝕知識，嚴格控制加熱介質中氯離子的含量、pH值，并及時清洗烘干設備。

（3）選用耐氯離子應力腐蝕開裂性能較強的材料,如316L或雙相不銹鋼。

（4）降低材料表面粗糙度，防止機械劃痕、擦傷等，減少氯離子集聚的可能性。

5 結論

奧氏體不銹鋼夾層鍋在蒸煮食品領域應用廣泛。奧氏體不銹鋼在氯離子環境中會發生應力腐蝕、孔蝕等損傷，如不及時發現缺陷，會對人身和財產安全有較大危險性。為了保障特種設備的安全運行，除了上述4點預防措施外，使用單位應當加強企業自檢，對設備運行過程中出現的異常情況進行細致的全面檢查，及時地消除事故隱患。

[1]張其樞，堵耀庭.不銹鋼焊接[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]強天鵬.壓力容器檢驗[M].北京：新華出版社，2008.

[3]胡學知.滲透檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

[4]壓力容器：GB 150.1～GB 150.4—2011[S].

[5]曹福想，張啟禮.奧氏體不銹鋼應力腐蝕裂紋失效分析及對策[J].南方金屬，2008（3）：8-11.

Corrosion Analysis and Preventive Measures of Stainless Steel Steam-jacked Kettle in Chloride Environment

Li ChengchaoZhang ChengdongCui YunlongLiu Huawei

In the regular inspection,many defects were found in the steam-jacked kettle made of SUS304 stainless steel,such as cracks,spot corrosion,pitting corrosion and so on.Corrosion analysis was carried out by means of macroscopic detection and material analysis.The results showed that stress corrosion cracking appeared in austenitic steel under the combined action of tensile stress,high temperature,and high concentration of chloride ions.

Steam-jacked kettle;Stainless steel;Chloride ion;Tensile stress;Corrosion cracking;Measure

TQ 050.9

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.011

2016-08-15)

*李成超，男，1987年生，碩士，助理工程師。泰安市，271000。