01 堿腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕破裂機(jī)理

堿腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕破裂有兩個(gè)特點(diǎn)：一是裂紋起源于腐蝕坑；二是這種腐蝕伴隨著產(chǎn)生金屬組織損傷，使其強(qiáng)度和韌性顯著降低，呈脆性斷裂。

堿腐蝕引起的穿孔與脆裂有內(nèi)壓的聯(lián)系，也有一定區(qū)別。其內(nèi)在聯(lián)系是均由游離堿對(duì)鋼鐵的腐蝕引起，即腐蝕作用的機(jī)制有相同之處；其明顯的區(qū)別是表現(xiàn)形式不同，反映了其腐蝕過程有所區(qū)別。即，堿腐蝕引起的穿孔不產(chǎn)生組織損傷和強(qiáng)度韌性下降；堿腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕破裂則由于晶間腐蝕使強(qiáng)度、韌性下降。

堿腐蝕引起的鍋爐水冷壁管應(yīng)力腐蝕破裂都發(fā)生在爐管的向火側(cè)，通常是在熱負(fù)荷集中的部位易于發(fā)生。它產(chǎn)生在腐蝕速度相當(dāng)高的皿狀腐蝕坑處。呈開窗狀爆破。爆口蠕脹不明顯，開口相當(dāng)大，外形不規(guī)則。其爆口邊緣厚鈍，可有許多道裂紋由爆口向外延伸，見圖5-159。

在爆口處金屬斷面有明顯的脫碳現(xiàn)象，其完全脫碳層可達(dá)1～3mm，半脫碳層約為1-2mm。圖5-160是堿腐蝕引起應(yīng)力腐蝕破裂的水冷壁管斷面，由該圖可以觀察到由內(nèi)壁開始的脫碳層，腐蝕嚴(yán)重處脫碳現(xiàn)象也最嚴(yán)重，腐蝕坑外則無脫碳現(xiàn)象。

圖5-159  堿腐蝕引起的脆性爆口

圖5-160 水冷壁斷面

除了主爆口的裂紋外，堿腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕破裂可產(chǎn)生密如蛛網(wǎng)的微裂紋，它們往往沿晶發(fā)展，在裂紋所及之處，珠光體脫碳。圖5-161是堿脆爆口處未經(jīng)侵蝕的微裂紋；圖5-162是堿脆爆口附近的晶間裂紋，由該可看到沿晶裂紋附近珠光體組織的脫碳現(xiàn)象。

圖5-161  爆口處未經(jīng)侵蝕的微裂紋100×

圖5-162  爆口附近的晶間裂紋100×

應(yīng)力腐蝕破裂的斷口及大裂紋的斷口多呈暗黑色，已失去金屬光澤，其腐蝕產(chǎn)物主要是Fe3O4。它不僅存在于腐蝕坑中，還深入到沿晶發(fā)展的裂紋中，堿腐蝕引起脆裂時(shí)，其腐蝕速度都比較高，因此鍋爐蒸汽中含氫量較高，鋼鐵中氫的含量比單純的穿孔時(shí)更高。

在較高的爐水溫度下，尤其是傳熱不良使金屬溫度局部升高時(shí)，堿性的爐水發(fā)生局部濃縮，可使鋼鐵的表面膜及其本身發(fā)生溶解，金屬在腐蝕過程中各部分的腐蝕速度不等，宏觀上看是表面膜破損處和局部溫度較高的處易于腐蝕，微觀上看是珠光體比鐵素體易于腐蝕，而且晶粒邊界處更容易產(chǎn)生腐蝕。

當(dāng)腐蝕強(qiáng)烈，腐蝕速度相當(dāng)高時(shí)，金屬的腐蝕不均勻性可引起質(zhì)的變化，使腐蝕具有明顯的選擇性及沿晶發(fā)展的傾向，腐蝕沿著晶粒邊界的狹小縫隙向基體內(nèi)部推進(jìn)形成了晶界處微小的活性陽極溶解區(qū)與相對(duì)很大的未腐蝕晶粒的陰極區(qū)，使腐蝕前沿的陽極溶解加速，形成沿晶發(fā)展的腐蝕微裂紋。

在研究上述裂紋形成過程時(shí)，不可忽視堿腐蝕的腐蝕產(chǎn)物氫氣和亞鐵酸鈉對(duì)腐蝕所起的作用。據(jù)計(jì)算每腐蝕掉1kg鐵，要產(chǎn)生36.1g氫氣，這部分氫氣在高壓鍋爐10.8MPa、316℃的鍋爐參數(shù)下，體積為7.87L。這部分氫氣的體積比被腐蝕掉鋼鐵體積大61.4倍，當(dāng)它們聚集在晶粒邊界處時(shí)，可產(chǎn)生巨大的壓力，迫使晶界擴(kuò)張和晶粒分離。

腐蝕過程中所生成的亞鐵酸鈉與滲入的爐水相遇，可水解生成FeO和NaOH。FeO的密度約為鋼鐵的1/2，其體積將比被腐蝕掉的鋼鐵大一倍，在晶粒邊界產(chǎn)生這種剛性的腐蝕產(chǎn)物所引起的應(yīng)力比可以被壓縮的氫氣引起的應(yīng)力更大，促進(jìn)了裂紋的沿晶發(fā)展，水解產(chǎn)物NaOH將使晶粒間的腐蝕繼續(xù)進(jìn)行。

應(yīng)力腐蝕破裂斷口處的脫碳現(xiàn)象，是珠光體中的滲碳體與堿在高溫下所發(fā)生的腐蝕造成的，其反應(yīng)為：

上式所產(chǎn)生的3Na2FeO2 、CH4、H2均有促進(jìn)晶間裂紋發(fā)展的作用，由上式可知每腐蝕掉1kg Fe3C可產(chǎn)生89g CH4和11gH2，同時(shí)，在高壓爐的條件下，它們的體積均為2.4L，其體積也比所腐蝕掉的Fe3C大37倍，同樣要增加晶間應(yīng)力。

綜上所述，可以認(rèn)為堿腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕破裂是在強(qiáng)烈的堿性侵蝕下，腐蝕集中于珠光體中的滲碳體和晶粒邊界處發(fā)生。腐蝕產(chǎn)物FeO、H2和CH4起到了楔入晶間把晶粒撐開脹裂的促進(jìn)作用。

02 堿腐蝕引起的鍋爐應(yīng)力腐蝕破裂的控制措施

為防止由于堿腐蝕引起的鍋爐應(yīng)力腐蝕破裂應(yīng)從改善水質(zhì)、消除附加應(yīng)力和防止水冷壁管過熱等方面著手。

①改善水質(zhì)。

加強(qiáng)水質(zhì)管理，防止堿腐蝕引起的鍋爐應(yīng)力腐蝕破裂，在水質(zhì)控制方面與防止堿應(yīng)力腐蝕破裂的措施相同。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到隨著鍋爐參數(shù)升高，由于鍋爐工作壓力對(duì)金屬產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力加大，引起應(yīng)力腐蝕破裂的傾向增加。因此，對(duì)水質(zhì)的要求應(yīng)該更為嚴(yán)格；

②消除焊接殘余應(yīng)力。

應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行焊接和對(duì)焊縫進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力熱處理，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)焊縫處的無損檢測，以期提早發(fā)現(xiàn)裂紋；

③防止水冷壁管過熱。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)受熱面水冷壁管存在附著物時(shí)，需進(jìn)行化學(xué)清洗除去附著物，這是防止堿腐蝕及由它引起的應(yīng)力腐蝕破裂的主要措施。不允許鍋爐超出力運(yùn)行，燃料煤品種按設(shè)計(jì)品種選用，防止?fàn)t膛負(fù)荷過高。要防止?fàn)t膛火焰偏斜，防止局部熱負(fù)荷集中。

要加強(qiáng)對(duì)爐管的定期檢查，當(dāng)懷疑水冷壁管有腐蝕破裂傾向時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換，以免運(yùn)行中爆管。