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超級奧氏體不銹鋼的應力腐蝕

2021-09-08 15:47:36 作者：工業小南點來源：工業小南點分享至：

超級奧氏體不銹鋼的應力腐蝕

01. 254SMO超級不銹鋼

254SMO是高含Cr、Ni、Mo和N的高合金奧氏體不銹鋼，是近30年來發展的新鋼種，對其耐蝕特性研究還較少，但已明確其具有優良的抗全面腐蝕、抗多種介質的Cl-SCC、點蝕和縫隙腐蝕性能，在濕H2S環境下，也有良好的抗SCC性能。有良好的延展性和可焊性，其冷加工硬化傾向較S30408不銹鋼要小，深度冷加工后，經完全退火處理可以提高抗SCC能力。為保證耐蝕性能，固溶熱處理制度為最低1150℃保溫，急冷，用作壓力容器的適用溫度為-60℃～400℃。在化學工業的過程設備、果汁和造紙的漂泊設備、燃氣凈化、海水處理和換熱器上應用廣泛[1]，較300系列不銹鋼更具有耐全面腐蝕、SCC和點蝕能力，而較鎳基合金更省錢。

254SMO為瑞典Avesta 和Outokumpu 牌號[1，2]，按ASTM A959 [3]牌號為S31254，GB/T 20878[4]牌號為015Cr20Ni18Mo6CuN。該材料目前有板、帶、棒和管等，涉及到的標準除Avesta 的“Standard Cr-Ni-Mo Stainless Steels” [5]企業標準外，主要有ASTM A240/A240M[6]、ASTM A249/A249M[7]、ASTM A269[8]、SATM A270[9]、ASTM A276[10]、ASTM A312/A312M[11]、ASTM A479/A479M[12]和GB/T 20878[4]、 GB/T 3280[13]等。化學成分見表4-55。

表4-55 254SMO[1，6]不銹鋼化學成分 mass%

Avesta等[1，2] 按ASTM G48標準在沸騰的42%（mass）MgCl2介質中對254SMO進行SCC試驗，結果其焊接管較2205雙相鋼具有明顯的優勢，2205典型的的平均開裂時間為小于24h，而254SMO為200h。按ISO 15324[14]的SCC評價結果見圖4-172，試驗表明254SMO抗Cl-SCC性能明顯優于S31608、2205、2507和904L。

載荷 Rp0.2%

圖4-172 用DET法測量的不同材料臨界應力值

文獻[15] 研究認為，由于254SMO在600°C-1000°C熱循環時，晶界無有害相析出，因此，即使是焊接接頭也無晶間腐蝕風險。在3M NaCl溶液中對敏化態的254SMO進行SSRT試驗，結果圖4-173，表4-56為固溶態和敏化態254SMO在不同溶液中由陽極極化曲線獲得的點蝕點位和耐蝕性能、SSRT試驗測得的斷面收縮率（εA/εI）比值、點蝕點位、抗拉強度和耐蝕性能。Cl-含量由1M增加到3M、或在3M NaCl溶液中pH值由6到2，斷面收縮率沒有顯著改變，如果按εA/εI大于0.8，不存在SCC，則敏化態254SMO在3M NaCl、pH大于2的80℃溶液中不會發生SCC。但在pH小于1時，敏化態的254SMO的εA/εI為0.54，固溶態的為0.86。斷口掃描電鏡分析結果見圖4-174、圖4-175，結果表明敏化態的試樣斷裂為準解理擴展和二次裂紋，呈SCC特征；點蝕電位值顯示，在3M NaCl中，pH值小于1時，材料呈活化態。研究結果表明，在強酸性條件下（pH＜1），80℃時敏化態的254SMO和C275、S31603一樣具有晶間形SCC（IGSCC）危險，而固溶態的無SCC風險。

圖4-173 敏化態254SMO在80℃的3M NaCl中pH值對應力和延伸率的影響

表 4-56 254SMO在80℃溶液中的（εA/εI）比值、Ep（Vs. EAg/AgCl）、Rm和耐蝕性能

圖4-174 固溶態254SMO SSRT試驗后

圖4-175 敏化態254SMO SSRT試驗后

由于254SMO的質量分數在6%以上，點蝕指數PRE（16N）為43，所以，與其他材料相比，點蝕傾向較小。因材料中的Cr、Mo和N含量較高，所以具有良好的抗縫隙腐蝕性能。Avesta[1]的研究結果，結果表明其抗點蝕和縫隙腐蝕性能大大優于300系列不銹鋼和2205型雙相不銹鋼，與鎳基合金接近。

文獻[16]研究發現，按ASTM G150[17]電化學方法試驗，采用藥芯GTAW（gas tungsten arc welding）焊接，其焊接接頭耐蝕性與母材相比，耐蝕性下降較小，而無藥芯的焊接，導致其點蝕性能大大下降，見圖4-176，這主要是因為焊接接頭化學成分和金相組織不連續造成的。

ASTM G-150 臨界點蝕溫度試驗

圖4-176 S31603、254SMO和SAF2507焊接接頭在ASTM G150中CTP試驗結果

在濕H2S環境下，NACE MR0175 [18] 和Avesta 研究結果[1]允許254SMO在退火狀態下和冷加工后硬度在35HRC以下使用。

02. 其他超級奧氏體不銹鋼

a.Cronifer 1925 hMo-合金 926[19]

與合金904L具有類似化學成分的奧氏體不銹鋼，是在Cronifer 1925 LC 的基礎上提高了Mo、N含量研制而成，其N質量分數提高到了0.2%左右、Mo約為6.5%。N和Mo含量的提高顯著增加Cronifer 1925 LC的性能，尤其是在鹵化物介質中具有突出的耐局部腐蝕性能和極好的力學性能。出色的耐局部腐蝕性能加上25%（mass）的Ni含量使合金926 在Cl-介質中具有尤其突出的耐腐蝕性。在Cl-含量10×10-3～70×10-3、pH 值5～6、工作溫度50～68℃的石灰石漿料的各種FGD（煙氣脫硫裝置）系統中的試驗表明，經過1-2a的試驗期，合金926 基本上沒有發生點腐蝕、縫隙腐蝕和Cl-SCC。已獲得應用于壓力容器制造相關認證（VdTUV-196～400℃ 及 ASME 認證）。

b. AL-6XN合金

為高Ni（24%mass）-Mo（6.3%mass）超奧氏體不銹鋼，它比標準的300系列合金對Cl-具有更高的抗點蝕、縫隙腐蝕和SCC能力，比傳統的抗腐蝕鎳基合金成本低，而且能提供比300奧氏體不銹鋼更高的強度，因此經常應用于設備中較薄的部分。

c.URANUS? B6 and B6N[20]

為含20Cr-4.3Mo-1.5Cu和N的超級不銹鋼，ASTM B625[21]牌號為UNS N 08904。具有優良的抗SCC、點蝕和縫隙腐蝕性能。該材料在天然氣和海水處理、煙氣脫硫、造紙漂白設備和高溫高氯化物環境、含硫酸性環境下使用良好。

d.AL4565合金（UNS Designation S34565）（EN Designation 1.4565）[22]

為高含Cr、Mo和N的超級奧氏體不銹鋼。由于其N含量高，所以較其他6Mo超級不銹鋼有更高的強度和微觀組織穩定性（抗σ相析出），有優異的抗點蝕、縫隙腐蝕、Cl-SCC和堿脆性能，焊接性能好，在高含氯環境，如污水處理、海洋油氣設備和海水淡化設備上使用良好。

e.INCOLOY 25-6Mo[23]（UNS N08926/W. Nr.1.4529，前身為UNS N08925）[21，24，25]

ASME Code Case 2120 （Ni-Fe-Cr-Mo-Cu-Low Carbon alloy N08926）定義了它的化學成分，最大許用應力值和力學性能要求。它含有6%的Mo并通過添加N提高性能，高的Mo含量以及N使得它能夠抗點蝕、縫隙腐蝕和SCC，含有的Cu能夠提高它對硫酸的抗腐蝕性。該合金的PREN為47，比低Ni含量的S31708和雙相鋼明顯要好的抗Cl-SCC性能，是一種經濟實惠的抗強氯化物腐蝕的合金，材料在退火態下的較S31608、904L有更高的強度，有利于減小是設備壁厚，從而進一步減少設備發生SCC的風險。為ASME鍋爐與壓力容器代碼認可的材料，特別適用于一些處理高氯化物的環境中，如鹽水、海水、腐蝕性氯化物以及紙漿廠的漂白系統。它的應用包括化工和食物工程、紙漿和紙的漂白設備、海洋和近海石油平臺設備、鹽廠的蒸發器、大氣污染控制系統、以及電廠的冷凝管道系統、循環水管道系統和供水加熱器等。此外，在一些海洋和化工環境中該合金還可作為高鎳合金的一種經濟的替代品。

f.Allegheny Ludlum AL 904L? alloy[26]（UNS N08904[169]，URANUS B6[27]）

是中高合金的奧氏體不銹鋼，Ni質量分數25%、Cr含量高，添加了Mo（4.5%mass）和Cu，C含量低，具有良好的抗SCC性能，抗點蝕性能優于S31608和S31708型不銹鋼。

g.Avesta 654SMOR[28]（UNS32654[6]）

高Cr、Mo和N合金，在1150℃固溶退火處理可以得到完全奧氏體化的結構，沒有普通不銹鋼的氯化物點蝕和縫隙腐蝕問題，抗Cl-SCC性能優于254SMO。在海水和苦水處理系統、氯化物和二氧化氯漂白系統、化工設備、脫鹽系統、城市污水和板式換熱器上已有應用。

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