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奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕及防護(hù)措施

時(shí)間:2019-11-25    作者:無(wú)錫不銹鋼板    瀏覽:39
無(wú)錫不銹鋼板廠家無(wú)錫漢能不銹鋼2019年11月25日訊  一般情況下奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性,但在特殊的工況條件下,也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象,給工程帶來(lái)極大的安全隱患。論述了奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件、腐蝕的機(jī)理及防護(hù)措施,為解決奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕失效的問題提供了依據(jù)。


奧氏體不銹鋼因?yàn)榫哂袃?yōu)良的機(jī)械性能及可焊性,同時(shí)還有其它普通金屬不可比擬的耐腐蝕性能,而成為石油化工行業(yè)中重要的耐腐蝕材料。奧氏體不銹鋼耐腐蝕是由于在其表面生成了一層極薄的、粘著性好的、半透明的氧化鉻薄膜。Cr和Ni是不銹鋼具有耐腐蝕性能最主要的合金元素。Cr和Ni使奧氏體不銹鋼在氧化性介質(zhì)中生成一層十分致密的氧化膜,使其鈍化,降低了不銹鋼在氧化性介質(zhì)中的腐蝕速度,使不銹鋼的耐腐蝕性能提高。這層膜一旦遭到機(jī)械損傷而破壞,鋼中的鉻與大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就能迅速地使其恢復(fù)。但不銹鋼的耐腐蝕性能是有針對(duì)性的,即在空氣、水、中性溶液等介質(zhì)中是穩(wěn)定的,而在其它介質(zhì)中則有可能發(fā)生腐蝕破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì),在設(shè)備腐蝕中,奧氏體不銹鋼的腐蝕約占各種腐蝕的1/2,而奧氏體不銹鋼材料的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象,又占所有材料應(yīng)力腐蝕的2/3以上。


應(yīng)力腐蝕指金屬在拉伸應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下發(fā)生的低應(yīng)力脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕開裂是一種腐蝕速度快、破壞嚴(yán)重,且往往在沒有明顯宏觀變形及在金屬表面無(wú)腐蝕的情況下,發(fā)生的突發(fā)性低應(yīng)力脆斷,由于這種脆斷的突然性和不可預(yù)測(cè)性,因而具有相當(dāng)大的危險(xiǎn)性。


1、產(chǎn)生條件


應(yīng)力腐蝕破裂是拉應(yīng)力與腐蝕因素共同作用產(chǎn)生的。一般情況下,構(gòu)成應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)具備3個(gè)條件:(1)特定材料具有一定化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的不銹鋼,在一些介質(zhì)中對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感;(2)足夠大的拉伸應(yīng)力生產(chǎn)制造過程中及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等而造成的殘余拉應(yīng)力,拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件;(3)特定的腐蝕環(huán)境只有在一定的材料——介質(zhì)的組合條件下才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。


2、產(chǎn)生機(jī)理


01、應(yīng)力腐蝕破裂過程


應(yīng)力腐蝕破裂的過程可分為3 個(gè)階段:第一階段為腐蝕引起裂紋或蝕坑的階段,即導(dǎo)致應(yīng)力集中的裂紋源生核孕育階段,常稱之為潛伏期或誘導(dǎo)期;第二階段為裂紋擴(kuò)展階段,即由裂紋源或蝕坑發(fā)展到單位面積所能承受最大載荷的所謂極限應(yīng)力值時(shí)的階段;第三階段是失穩(wěn)純力學(xué)的裂紋擴(kuò)展階段,即破裂期。第一階段受應(yīng)力的影響性相對(duì)較小,但時(shí)間較長(zhǎng),約占破裂總時(shí)間的90%。


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圖1 應(yīng)力吸附開裂過程


02、應(yīng)力腐蝕機(jī)理


就應(yīng)力腐蝕的機(jī)理來(lái)說,目前尚處于研討階段。目前已得出多種理論,各種理論又有各自適應(yīng)的組合情況,可歸結(jié)為3個(gè)方面:


 環(huán)境因子方面的假設(shè)和理論


(1)電化學(xué)腐蝕理論該理論用來(lái)解釋沿晶型應(yīng)力腐蝕比較合適,認(rèn)為晶界比晶粒內(nèi)的晶面具有較高能量,形成陰極、陽(yáng)極,組成了電化學(xué)腐蝕的原電池。


(2)應(yīng)力吸附理論認(rèn)為應(yīng)力腐蝕斷裂的產(chǎn)生是由于金屬(或合金)表面吸附了特殊離子,使其表面能降低,使材料破壞所需的應(yīng)力降低。



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圖2 應(yīng)力吸附開裂


(3)表面膜破裂理論該理論認(rèn)為金屬(或合金)表面的保護(hù)膜尤其是晶界處在腐蝕過程中不斷被破壞,而使腐蝕裂紋發(fā)展直至破壞。


(4)腐蝕產(chǎn)物的楔入效果理論金屬(或合金)的腐蝕產(chǎn)物在擴(kuò)展裂紋尖端的后面陰極區(qū)沉積,對(duì)裂紋起楔子作用,造成了應(yīng)力;當(dāng)沉積物造成的應(yīng)力達(dá)到臨界值后使裂紋向前擴(kuò)展;新產(chǎn)生的裂紋又吸入了電解質(zhì)溶液,使裂紋尖端陽(yáng)極腐蝕繼續(xù)進(jìn)行,這就產(chǎn)生了更多的可溶性金屬離子,這些離子擴(kuò)散至陰極區(qū)并生成金屬氧化物等沉積下來(lái),這又引起了裂紋向前擴(kuò)展,如此反復(fù),直至破裂。


 金屬因子方面的假設(shè)和理論


(1)位錯(cuò)理論材料的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性與材料中的位錯(cuò)分布有關(guān)。


(2)析出理論在產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中,材料由于受應(yīng)力或腐蝕反應(yīng)的結(jié)果,使得某些部位上產(chǎn)生了某種析出,該電位降低成為陽(yáng)極,造成了腐蝕的敏感環(huán)境。


(3)滑移階梯理論材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕必須具有某種程度的塑性變形,從而使材料的表面出現(xiàn)滑移階梯,破壞金屬表面保護(hù)膜,產(chǎn)生新的活性區(qū)。在介質(zhì)中,這些活性區(qū)與其它有完整保護(hù)膜的地方形成小陽(yáng)極大陽(yáng)極,加快了破壞進(jìn)程。


(4)隧洞腐蝕理論在產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中,金屬(或合金)沿某一滑移面上的一定方向生成腐蝕孔并延伸成隧洞狀,在應(yīng)力作用下,隧洞互相連接,使截面減少,應(yīng)力逐漸增高超過了屈服極限甚至達(dá)到強(qiáng)度極限直至破壞。


 應(yīng)力因子方面的假設(shè)和理論


該理論要點(diǎn)為,在應(yīng)力作用下腐蝕反應(yīng)生成的氫擴(kuò)散到正在擴(kuò)展的裂紋前緣,在該處形成與應(yīng)力方向垂直的高活化的氫化物或氫-應(yīng)變鐵素體(或bccα'、α'馬氏體),使該處金屬脆變。隨著應(yīng)力腐蝕的進(jìn)行,氫不斷產(chǎn)生與擴(kuò)散至裂紋尖端,裂紋就持續(xù)向前擴(kuò)展。金屬腐蝕斷裂的引發(fā)與擴(kuò)展,是沿著氫在鋼中擴(kuò)散和反應(yīng)所形成的敏感途徑進(jìn)行的。


3、防護(hù)措施


01、選用具有抗應(yīng)力腐蝕的不銹鋼材料



近年來(lái)發(fā)展了多種耐應(yīng)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-奧氏體雙相鋼。其中,以鐵素體-奧氏體雙相鋼的抗應(yīng)力腐蝕能力最好。


02、改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)


盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突變,以減少局部高應(yīng)力,接管端部應(yīng)打磨圓角,呈圓滑過渡,對(duì)連接點(diǎn)宜選用較大的圓角和平滑度。


03、消除應(yīng)力處理


焊后熱處理是減少殘余應(yīng)力的有效方法,通常的消除應(yīng)力熱處理的溫度對(duì)奧氏體鋼都不合適,由于正好處于奧氏體鋼的敏化區(qū),所以必須提高熱處理溫度到900 ℃左右才能達(dá)到良好的消應(yīng)力效果。由于這溫度和含穩(wěn)定化元素的奧氏體鋼的穩(wěn)定化處理溫度一致,在該溫度下處理可達(dá)到一舉兩得的效果。


此外,還可在其表面采用噴丸處理,施加一定的壓應(yīng)力,使之與產(chǎn)生的拉應(yīng)力相抵消。


04、采用電化學(xué)方法防護(hù)


采用外加電流的陰極保護(hù)或犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的方法可以防止應(yīng)力腐蝕,而且在裂紋形成后還可使其停止擴(kuò)展。


05、添加緩蝕劑


在工藝條件許可的情況下,通過添加一定量的緩蝕劑,也可在一定程度上達(dá)到延緩?qiáng)W氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕速度的效果。


4、結(jié)語(yǔ)


腐蝕與防護(hù)是一門獨(dú)立的學(xué)科,它是研究結(jié)構(gòu)材料的腐蝕過程和腐蝕控制機(jī)理,采取措施延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料使用壽命的一門學(xué)科。正確選用材料和采取適用的防護(hù)措施對(duì)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命是十分有意義的。