不銹鋼由于其具有優(yōu)良的耐均勻腐蝕性能、力學(xué)性能和工藝性能,而成為壓力容器(包括固定式和移動(dòng)式壓力容器、熱交換器等)應(yīng)用多的耐蝕金屬材料。其中奧氏體不銹鋼又以其良好的綜合性能占不銹鋼總產(chǎn)量和使用量的70%左右。但是由于奧氏體不銹鋼容器在氧化和弱氧化介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕,或使設(shè)備局部腐蝕穿漏,或使材料喪失力學(xué)性能,所以晶間腐蝕失效的研究及預(yù)防成為奧氏體不銹鋼壓力容器設(shè)計(jì)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。
一、晶間腐蝕的成因
不銹鋼耐腐蝕的根本原因在于它含有鉻、鎳等提高金屬電極電位的元素。在金屬基體中,當(dāng)鉻含量達(dá)到17%時(shí),含鉻不銹鋼就能在其陽(yáng)極(負(fù)極)區(qū)的基體表面形成一種致密的氧化膜Cr2O3,即鈍化膜。鈍化膜可以阻礙陽(yáng)極區(qū)的反應(yīng),同時(shí)增加陽(yáng)極電位,減緩基體電化學(xué)腐蝕。然而不銹鋼在300℃以上的熱過(guò)程中,晶粒邊界會(huì)析出碳化鉻、氮化鉻和鉻的其他金屬間的化合物等鉻含量高于甚至大大高于不銹鋼平均鉻含量的高鉻相,致使晶界高鉻相與晶粒外緣相鄰接的狹長(zhǎng)區(qū)域的鉻含量大大下降,稱為貧鉻區(qū)。當(dāng)熱過(guò)程較短時(shí),晶粒本體的鉻原子來(lái)不及充分向貧鉻區(qū)擴(kuò)散補(bǔ)充,溫度下降后,貧鉻區(qū)得以保持。在以后接觸到某些具有晶間腐蝕能力的介質(zhì)時(shí),貧鉻區(qū)的溶解速度會(huì)大大超過(guò)晶粒本身。晶粒本身為鈍化腐蝕時(shí),貧鉻區(qū)常常為活化腐蝕,因而會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。不銹鋼貧鉻區(qū)的存在是不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕敏感性的重要的原因之一。晶間腐蝕發(fā)生后,金屬雖然表面仍保持的金屬光澤,也看不出被破壞的跡象,但晶粒間的結(jié)合力已顯著減弱,強(qiáng)度下降,冷彎后表面出現(xiàn)裂縫,容器容易遭到破壞。晶間腐蝕隱蔽性強(qiáng),突發(fā)性破壞幾率大,因此有嚴(yán)重的危害性,尤其在焊接時(shí),焊縫附近的熱影響區(qū)更容易發(fā)生晶間腐蝕。
二、解決不銹鋼壓力容器晶間腐蝕傾向的措施
1. 選用低碳和超低碳不銹鋼,如00Cr18Ni10N、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2等,使晶間腐蝕敏感性降低到小值,且強(qiáng)度相對(duì)較低,目前這一方法已成為解決不銹鋼晶間腐蝕問(wèn)題的主要方法;
2. 利用合金化原理,避免形成鉻的碳化物。Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe都是碳化物形成元素,形成碳化物的親和力依次降低。綜合比較之后,選擇了鈦和鈮,即在形成鉻的碳化物之前,先形成鈦的碳化物。這樣就保護(hù)了鉻不被流失,避免形成貧鉻區(qū),基本上也能解決晶間腐蝕問(wèn)題;
3. 進(jìn)行固溶化處理。奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理后,其力學(xué)性能比較如表(參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T4237-2007不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶)所示,可見其強(qiáng)度和塑性非常接近,而所有的奧氏體不銹鋼均不能熱處理強(qiáng)化,只能通過(guò)冷作硬化以提高強(qiáng)度、硬度,在產(chǎn)品性能允許的情況下選用適當(dāng)?shù)牟牧?同時(shí)避免在晶間腐蝕的敏感溫度區(qū)間的停留時(shí)間,這是避免晶間腐蝕的辦法;
4. 焊接控制: 調(diào)整焊縫的化學(xué)成份,加入穩(wěn)定化元素減少形成碳化鉻的可能性,如加入鈦或鈮等；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；控制在危險(xiǎn)溫度區(qū)的停留時(shí)間,防止過(guò)熱,快焊快冷,使碳來(lái)不及析出；合理安排焊接順序,多層焊和雙面焊時(shí),后一條焊縫的熱作用可能對(duì)先焊焊縫的過(guò)熱區(qū)起到敏化溫度加熱的作用。為此,雙面焊縫中與腐蝕介質(zhì)接觸的一面應(yīng)盡可能焊接。
三、結(jié)語(yǔ)
奧氏體制不銹鋼壓力容器的晶間腐蝕傾向嚴(yán)重影響了奧氏體不銹鋼制壓力容器的安全運(yùn)行。應(yīng)通過(guò)正確的選材,應(yīng)盡量選用低碳和超低碳不銹鋼,嚴(yán)格控制焊接過(guò)程,選擇合適的焊接方法、焊接材料,遵循相關(guān)的焊接工藝,才能保證奧氏體不銹鋼的焊接質(zhì)量。同時(shí),用于上述介質(zhì)環(huán)境時(shí),應(yīng)按GB/T4334-2008《不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行晶間腐蝕傾向試驗(yàn)，將晶間腐蝕傾向降至低,保證奧氏體不銹鋼制壓力容器的安全運(yùn)行。