奧氏體不銹鋼設備腐蝕問題研究

徐昊，李萍，周彬，孫建，劉慶軍

（1.江蘇正帆華東凈化設備有限公司；2.江蘇菲達寶開電氣股份有限公司，江蘇 揚州 225800）

奧氏體不銹鋼由于其具有良好的力學和化學性能，如韌性和塑性高、質量輕、外形精美等，因此被廣泛應用于各種設備中。然而，雖然奧氏體不銹鋼具有優良的綜合性能，但在一些特殊工作環境中，很容易出現應力腐蝕、晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕等現象。奧氏體不銹鋼設備一旦發生腐蝕，不但會造成設備停機，帶來經濟損失，而且還會危機一線員工的人生安全影響非常巨大，尤其像一些制藥設備廠的承壓設備大部分采用的是奧氏體不銹鋼，如果不采取措施防止其發生腐蝕，將會對企業的經濟和員工的人生安全造成巨大危害。故對奧氏體不銹鋼設備的腐蝕問題進行研究，具有重要意義。

1 奧氏體不銹鋼概述

奧氏體不銹鋼是指在常溫狀態下呈穩定奧氏體組織的不銹鋼，其具有全面和良好的綜合性能，在工業化設備中具有廣泛的應用。正因為奧氏體不銹鋼的優良綜合性能，故在所有不銹鋼類型中，奧氏體不銹鋼占比高達70%，具有大約50個奧氏體不銹鋼牌號，為我國醫療、化工、石油開采等領域做出了突出貢獻。

通常根據奧氏體不銹鋼所含的元素不同，可以分為鉻鎳奧氏體不銹鋼和鉻錳奧氏體不銹鋼，俗稱300 系列與200 系列。其中300 系列的奧氏體不銹鋼所含的化學成分主要是鎳，故展現出了良好的力學性能和生產工藝性能，但其強度和硬度受到了一定的影響，因此不適用于一些對硬度和強度較高的設備。300 系列奧氏體不銹鋼的代表性產品就是18-8 型不銹鋼（304 不銹鋼），通過在其基礎上加上若干元素可以發生演變，如加入Mo 可以加強耐點腐蝕和縫隙腐蝕、加入Ni可以加強耐應力腐蝕性能、加入Ni 和Cr 可以改善高溫抗氧化性和強度等。200 系列的奧氏體不銹鋼則含有的主要化學元素是錳和氮，由于氮元素具有固溶強化的作用，故200 系列的奧氏體不銹鋼不但具有良好的韌性和塑性，而且強度和得到了改善。根據不同的含氮量，可分為控氮型如254SMO、中氮型如AL-6XN 和高氮型如1925hMo。由于奧氏體不銹鋼再結晶溫度很高，因此其在高溫狀態下穩定性相對較高，故廣泛用作熱強鋼。在使用之前，通常需要進行固溶處理，從而使組織均勻并消除應力，提高耐腐蝕性和力學性能。

2 奧氏體不銹鋼設備腐蝕類型

2.1 應力腐蝕

奧氏體不銹鋼設備的應力腐蝕主要是指材料在拉應力的作用下，與腐蝕介質發生反應而造成失效的現象，常稱作SCC。它的腐蝕機理是材料在應力和腐蝕介質的雙重作用下，表面的氧化膜逐漸受到破壞，破壞的表面與完好的表面將會形成陰極和陽極，金屬離子將會在陽極和陰極之間移動，產生電流，進一步腐蝕金屬表面，此時，如果受到外界拉力或殘余應力的作用，則表面受到破壞的地方將會逐漸形成裂紋，如果不加以防護，隨著時間的推移，裂紋將會逐漸擴展，直至斷裂。

應力腐蝕可以在發生在設備運行過程中，也可以發生在設備運行之前，甚至有些發生在設備的生產制造期間。由應力腐蝕機理可知，發生應力腐蝕過程中有一個“孕育期”，在這個期間內不易被發現，且時間長短不一，在設備發生故障之前不會有明顯的預兆，因此它的危害性最大。

2.2 晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼設備的晶間腐蝕是指在腐蝕介質的作用下，沿著金屬晶粒間的分界面向內部進行擴展而成的腐蝕現象，晶間腐蝕由于破壞了晶粒間的結合，因此材料的機械強度受到了很大的影響。奧氏體不銹鋼設備發生晶間腐蝕過程中，其外觀沒有明顯的變化，通常在小于500nm 的晶界范圍內發生腐蝕，不易被發現，但晶粒間的結合力和力學性能會顯著降低，因此其危害性極大，是奧氏體不銹鋼應用中的一個極大的難題。

2.3 點腐蝕

點腐蝕是指在金屬表面局部出現向深處發展的腐蝕小孔，相鄰的其它地方的表面沒有腐蝕或腐蝕很小的現象，它是奧氏體不銹鋼設備中最為常見的一種局部腐蝕類型。其腐蝕機理是奧氏體不銹鋼設備表面或鈍化膜等保護層出現薄弱點時，如硫化物夾雜、晶界碳化物沉積、位錯等處將會首先出現孔徑為20 到30 微米的小蝕孔，形成點蝕的核心，形成核心以后，仍有很大一部分表面會繼續鈍化，點蝕核心區域將會不斷增大，當增大到臨界尺寸時，奧氏體不銹鋼設備的表面將會出現肉眼可見的蝕孔，如果不采取措施加以防護，蝕孔將會加速擴展，最終使設備失效。

影響奧氏體不銹鋼點蝕現象的因素有很多，主要分為環境因素和材料的化學成分因素。環境因素主要是指溶液中含有的各種離子，有的離子能加速點腐蝕，而有的離子則能減緩點腐蝕，如溶液中氯離子濃度達到一定值時，會促進點腐蝕現象的發生，溶液中硝酸根離子、氫氧根離子則會減緩點腐蝕現象。奧氏體不銹鋼的化學成分對點腐蝕的影響主要是指成分中含有錳、硫、鈦等元素會加速點腐蝕，而含有鉻、鉬、鎳等元素則會減緩點腐蝕。

2.4 縫隙腐蝕

奧氏體不銹鋼設備的縫隙腐蝕是指兩個零件或設備連接處發生腐蝕的現象，如設備零件與零件焊接處、螺栓連接處等都會出現縫隙腐蝕。縫隙腐蝕主要是由縫隙內外介質間物質難以移動，即介質的電化學不均勻性而造成的，故它是一中閉塞電池腐蝕。縫隙腐蝕和點腐蝕相比，雖然引發條件不一樣，但它們的發展階段機理是一樣的。

3 奧氏體不銹鋼設備腐蝕的防范措施

3.1 改進設備的結構和加工工藝

在奧氏體不銹鋼設備加工制造過程中，不可避免地會產生應力集中、殘余應力或縫隙，而這些應力和縫隙是導致奧氏體不銹鋼設備發生腐蝕的重要因素，因此可以通過改進設備的一些結構和加工工藝，使其隱患降到最低。

（1）設備的凹槽和連接點應設計較大的半徑或平滑度，且盡量減少尖角和縫隙；

（2）改進焊接工藝，一方面要盡量避免焊縫的交叉，并保證縫隙最小，另一方面要嚴格按照焊接工藝順序，使其產生的殘余應力最小，且焊接坡口嚴禁熱切割。此外在焊接后還要對表面進行拋光，使設備表面產生鈍化膜減緩氯離子造成的點腐蝕；

（3）選擇合適的機加工方法和改善設備的機加工質量，如采用噴丸處理造成的壓應力，減緩應力腐蝕，同時盡量避免產生切削刀痕而引起應力集中及表面質量；

（4）選擇合適的熱處理工藝，如通過采用退火消除設備的殘余應力，同時對焊縫進行低溫處理。

3.2 改善使用環境

根據上文奧氏體不銹鋼腐蝕類型的分析可知，氯離子濃度對點腐蝕的具有一定的影響，因此在設備使用過程中應盡量降低溶液中氯離子的濃度，如通過蒸餾或離子交換的方式減小氯離子，或者在溶液中加入SnO4、CdO4等緩沖劑提高抗腐蝕能力。此外，還需要定期對設備進行清洗，涂抹適宜的油脂等物質進行保養。

3.3 鍍層保護

通過在奧氏體不銹鋼設備表面進行電鍍、噴涂耐蝕的金屬層可以有效減緩其發生腐蝕的速度，如焊接前在焊接坡口和可能受焊接熱影響的表面上電鍍鎳和鉻等金屬層，焊接后則在焊縫處和焊接熱影響表面電鍍。

3.4 改善奧氏體不銹鋼的化學成分

化學成分不同的奧氏體不銹鋼其抗腐蝕能力不一樣，如高鎳、高鉬奧氏體不銹鋼設備不但具有抗晶間腐蝕和點腐蝕的能力，還具有抗應力腐蝕的能力。實際工作中應根據奧氏體不銹鋼設備的使用環境及需要抗腐蝕的類型決定奧氏體不銹鋼的最佳化學成分。如工作中主要為了防止點腐蝕和縫隙腐蝕，應選擇含鉬高鎳和鉻的不銹鋼，如工作中主要為了防止晶間腐蝕和應力腐蝕，應降低不銹鋼中碳的含量。

4 結語

隨著工業技術的發展，奧氏體不銹鋼的化學成分將會不斷改善，綜合性能將會越來越高，使用范圍也將越來越廣泛。但奧氏體不銹鋼設備腐蝕問題一直是個難題，常見的腐蝕類型有應力腐蝕、晶間腐蝕、點腐蝕以及縫隙腐蝕，如果對腐蝕問題不加以防范，將會產生嚴重的后果。尤其是像一些化工設備如壓力容器盛裝的大部分是有毒有害介質，一旦因為腐蝕原因發生泄漏將會造成嚴重的影響。因此，在奧氏體不銹鋼設備使用過程中，一定要根據實際情況，采取有效措施，防止或延緩腐蝕現象的發生。