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一敲即碎的晶間腐蝕：概念、對壓力容器的危害、案例

2021-08-18 11:32:37 作者：工業(yè)小南點來源：工業(yè)小南點分享至：

晶間腐蝕

自奧氏體不銹鋼進入工業(yè)應用以來，便發(fā)現(xiàn)這種鋼材焊接后，離焊縫不遠處有嚴重的腐蝕現(xiàn)象，20世紀30年代初Bain等人用貧Cr理論滿意地解釋了這種晶間腐蝕。隨著尿素等化工工業(yè)的發(fā)展，又發(fā)現(xiàn)了不銹鋼的非敏化晶間腐蝕現(xiàn)象。據(jù)粗略統(tǒng)計，晶間腐蝕造成的腐蝕損失約占主要腐蝕類型中總腐蝕損失的10%。晶間腐蝕易發(fā)生在不銹鋼﹑鎳合金、鋁合金、黃銅、鎂合金等易鈍化合金上，在受熱情況下使用或焊接過程都會造成晶間腐蝕的問題。在碳鋼和低合金鋼上也可以發(fā)生，但一般因其晶界腐蝕速率和晶粒的腐蝕速率差別不如不銹鋼等合金的大，所以，晶間腐蝕現(xiàn)象不明顯，危害也小。不銹鋼焊縫的晶間腐蝕是化學、煉油、核工業(yè)的一個重大問題。

4.2.1晶間腐蝕定義

晶間腐蝕是金屬材料在腐蝕介質中，沿著或緊挨著晶粒邊界發(fā)生的腐蝕。主要由于晶粒表面和內(nèi)部間化學成分的差異以及晶界雜質或內(nèi)應力的存在，腐蝕寬度僅500nm以下，在如此狹窄的部位向縱深腐蝕。

常用金屬材料，特別是結構材料為多晶結構，因此，存在著晶界。晶間腐蝕所指的晶間并非嚴格限定在晶界這個過渡層范圍內(nèi)，而是出現(xiàn)在包括晶界在內(nèi)的，一個與晶粒尺寸相比，相對很小的區(qū)域內(nèi)，如圖4-22虛線所示的寬度區(qū)，其中的實線表示晶界。由圖中還可看出，多晶金屬材料在使用環(huán)境中，如果晶間區(qū)的腐蝕速度遠遠大于晶粒的腐蝕速度便可出現(xiàn)晶間腐蝕的結果。如果晶粒腐蝕速度可忽略不計，則是單純的晶間腐蝕；如果晶間腐蝕速率雖遠大于晶粒，但晶粒也具有相當?shù)牟豢珊雎缘母g速度，則屬伴有全面腐蝕的晶間腐蝕，即非單純晶間腐蝕。

圖4-22 晶界晶間區(qū)及晶間腐蝕概念示意圖

4.2.2 晶間腐蝕對壓力容器的危害

晶間腐蝕是很嚴重的破壞現(xiàn)象，是一種危害性很大的局部腐蝕，因為，晶間腐蝕是沿著材料晶粒間界發(fā)生的，腐蝕發(fā)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，但晶粒間結合力已顯著減弱，力學性能惡化，輕輕敲擊即可破碎（裂），經(jīng)常導致設備的突然破壞。在應力和介質的共同作用下，以晶間腐蝕為起源，可誘發(fā)晶間SCC，所以晶間腐蝕有時是SCC的先導。

不銹鋼的晶間腐蝕問題，在20世紀50～60年代曾經(jīng)是最嚴重的腐蝕現(xiàn)象。經(jīng)過幾十年的研究，對于晶間腐蝕的機理、影響因素和控制都有了比較深入的了解，不銹鋼晶間腐蝕問題相對于其它類型的局部腐蝕得到了很大的緩解。但是，對于一些新的合金、新的運用場合晶間腐蝕問題還是陸續(xù)的出現(xiàn)。

蒸汽發(fā)生器（SG）是壓水堆核電站（PWR）的重要設備之一，傳熱管是一、二回路之間的熱交換界面，屬于一回路的壓力邊界，其完整性直接影響到核電站的運行安全。從近年統(tǒng)計的結果來看，從不銹鋼傳熱管到鎳基合金，與晶界有關的SCC和晶間腐蝕是蒸汽發(fā)生器傳熱管道破壞泄漏的主要原因[1]。又如核反應堆乏燃料的處理設備大部分是不銹鋼制造，長期在高溫高壓高濃度的HNO3溶液的工況下運行會產(chǎn)生晶間腐蝕問題，所以在HNO3中奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕問題仍然突出；另外，不銹鋼的堆焊層的晶間腐蝕問題對于核反應堆外殼壓力容器內(nèi)壁堆焊層和尿素高壓設備上下封頭堆焊層依然是不可掉以輕心的。

石油化工的轉化爐爐管和乙烯裂解爐高溫爐管在運行中的氧化、硫化和滲碳現(xiàn)象也都是晶間腐蝕的過程。對爐管的腐蝕控制，直接關系到爐管的使用壽命。

4.2.3 晶間腐蝕形貌

一般來說，在特定的使用介質中，具有晶間腐蝕傾向的材料，如果晶粒表面能呈現(xiàn)鈍態(tài)，則屬圖4-23 a的類型。如果晶粒表面不能呈現(xiàn)鈍態(tài)，則會呈現(xiàn)圖4- 23b所示的結果。就單純的晶間腐蝕而言，也可分兩種形式，見圖4-24，一種形式是在三維空間中呈現(xiàn)完全連貫的形式，見圖4-24a；另一種形式是呈現(xiàn)非整體完全連貫的格網(wǎng)式，見圖4-24 b。可以說圖4-23 b型為腐蝕過程的中間態(tài)，隨著腐蝕時間的延長，總會進入圖4-24a所示的最終態(tài)。壓力容器受壓部件的腐蝕若達到4-24a的狀態(tài)，就已經(jīng)失效破壞，圖4-24b所示的情況只能發(fā)生在非承壓原件，如塔器上的隔板、分布板和泡罩等。

圖4-23 單純與非單純晶間腐蝕概念示意圖

圖4-24 單純的晶間腐蝕的兩種型式

某化肥廠氣化爐燒嘴水冷管，材質Inconel600，它的作用是管內(nèi)走水降低燒嘴表面溫度。燒嘴外表面接觸直接受1350℃的高溫氣體，介質主要成分體積比為 H2 61～62%、CO ～32%、CO2 5.8～6%、水蒸氣＜2%；管內(nèi)為30℃的冷卻水。使用幾個月后，晶內(nèi)和晶界出現(xiàn)析出物，管外壁表面存在高溫氧化腐蝕，在管母材、焊縫表面和裂紋的內(nèi)部，沿晶界的氧化特征表明合金遭受到過熱，圖4-25。