1.背景描述

客戶送檢樣品為4英寸不銹鋼管，內(nèi)表面腐蝕嚴(yán)重。該鋼管材質(zhì)為304不銹鋼，表面無鍍層，使用環(huán)境為廢水處理，鋼管內(nèi)為含氯離子的水蒸氣，壓力為1~2公斤。設(shè)備已建設(shè)完成2年，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間約7個(gè)月。根據(jù)客戶反饋，該管道內(nèi)壁腐蝕為普遍現(xiàn)象。

2.來樣照片

送檢樣品宏觀形貌如圖1所示，內(nèi)表面腐蝕嚴(yán)重，布滿黃色腐蝕產(chǎn)物。

圖1 送檢樣品宏觀形貌

3宏/微觀分析

送檢樣品宏觀形貌如圖2所示，內(nèi)表面腐蝕嚴(yán)重，布滿黃色腐蝕產(chǎn)物。對(duì)黃色腐蝕產(chǎn)物取樣做微觀形貌及能譜分析，結(jié)果如圖3所示。腐蝕產(chǎn)物為黃黑色，較為疏松，能譜分析表明含有Cl、O、Na、Ca、Al、S等元素，其中Cl元素為不銹鋼腐蝕敏感元素。

圖2 內(nèi)表面宏觀形貌

圖3 內(nèi)表面微觀形貌

4材質(zhì)分析

對(duì)送檢鋼管進(jìn)行材質(zhì)分析，包括成分分析、金相分析（含夾雜物分析及組織分析）。

4.1  取樣位置

取樣位置如圖4所示。

圖4 材質(zhì)分析取樣位置

4.2  成分分析

對(duì)送檢樣品基材金屬進(jìn)行成分分析，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為SN/T 2718-2010及GB/T 20123-2006。分析儀器為紅外碳硫分析儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜，結(jié)果如表1所示。根據(jù)GB/T 20878-2007 《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)》，送檢管子材料為S30408（即304，非304L），但Cr含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 成分檢驗(yàn)結(jié)果（wt%）

4.3  金相分析

（1）夾雜物

夾雜物分析結(jié)果如圖5所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005，夾雜物級(jí)別為B1+D0.5，材料較為潔凈，夾雜物較少。

圖5 夾雜物分析結(jié)果

（2）組織分析

分別對(duì)橫截面和縱截面取樣制成金相樣品，利用王水侵蝕后分析其金相組織，如圖6所示。橫截面及縱截面組織均為奧氏體+孿晶，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6394-2002，晶粒度6.0級(jí)。送檢4’’管子組織正常，未見晶粒不均、有害相析出等缺陷。

圖6 基體組織

5.腐蝕處截面分析

5.1  取樣位置

在管子內(nèi)壁腐蝕處取樣進(jìn)行截面分析，取樣位置如圖7所示。

圖7 截面分析樣品取樣位置

5.2  截面分析

樣品橫截面經(jīng)鑲樣拋光后宏觀形貌如圖8所示。可見內(nèi)壁存在很多的蝕坑。微觀形貌見圖9所示，內(nèi)壁微觀形貌為典型點(diǎn)蝕坑形貌，這與表面腐蝕產(chǎn)物中含有氯元素一致。

圖8 截面分析樣品宏觀形貌

圖9 截面分析樣品內(nèi)表面微觀形貌

6.綜合分析

根據(jù)上述分析，得出以下結(jié)論：

（1）送檢樣品內(nèi)表面腐蝕嚴(yán)重，布滿黃色腐蝕產(chǎn)物。能譜分析表明內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物含有Cl、O、Na、Ca等元素。

（2）送檢管子材料為S30408（即304，非304L），但Cr含量比GB/T 20878-2007 《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)》要求稍低。

（3）送檢管子夾雜物級(jí)別為B1+D0.5，材料較為潔凈，夾雜物較少

（4）送檢管子橫截面及縱截面組織均為奧氏體+孿晶，晶粒度6.0級(jí)。未見晶粒不均、有害相析出等缺陷。

（5）送檢管子內(nèi)壁存在很多的蝕坑。內(nèi)壁微觀形貌為典型點(diǎn)蝕坑形貌，這與表面腐蝕產(chǎn)物中含有氯元素一致。

（6）送檢管子內(nèi)壁腐蝕的原因?yàn)榘l(fā)生了點(diǎn)蝕。

點(diǎn)蝕是不銹鋼常見的局部腐蝕之一，其特征為金屬材料表面上出現(xiàn)蝕孔或麻點(diǎn)，且隨著時(shí)間的推移，蝕孔不斷向縱深方向發(fā)展，如圖10所示。

圖10 點(diǎn)蝕機(jī)理圖

點(diǎn)蝕的影響因素如下：

（1）環(huán)境因素的影響：不銹鋼點(diǎn)蝕是在特定腐蝕介質(zhì)中發(fā)生的，點(diǎn)蝕通常發(fā)生在含有鹵素陰離子的溶液中，其中以氯化物、溴化物侵蝕性最強(qiáng)。另外，溶液所處的狀態(tài)對(duì)耐蝕性也有影響，溶液靜止?fàn)顟B(tài)比流動(dòng)狀態(tài)時(shí)容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。一種解釋認(rèn)為流速對(duì)沉積物的影響所致，因?yàn)辄c(diǎn)蝕在鋼的表面有雜質(zhì)附著時(shí)容易發(fā)生，在沉積物下面供氧不足，形成濃差電池，鈍態(tài)易被破壞。

（2）合金元素的影響：在不銹鋼中加入Mo，能提高鈍化膜的穩(wěn)定性，使不銹鋼表面生成很致密而牢固的鈍化膜，隨Mo含量的增加點(diǎn)蝕電位迅速提高，腐蝕速率降低。Cr含量是增加不銹鋼抗點(diǎn)蝕性能的基本元素之一，Cr含量增加可提高鋼的鈍化膜修復(fù)能力，從而改善鋼的抗點(diǎn)蝕性能。有文獻(xiàn)歸納了各元素對(duì)不銹鋼在氯化物溶液中的抗點(diǎn)蝕性能的影響，認(rèn)為Cr、Mo、Ni、Si等是有益元素，Mn、S、Ti、Nb等是有害元素，C、Cu的影響則視在鋼中的狀態(tài)而定。

（3）組織的影響：不銹鋼中顯微組織對(duì)點(diǎn)蝕的影響也很大，如果組織中出現(xiàn)δ鐵素體、σ相、硫化物等會(huì)對(duì)耐點(diǎn)蝕性能有害。

（4）表面狀態(tài)的影響：光滑的表面比粗糙的表面發(fā)生點(diǎn)蝕的概率低。

送檢管子組織中未發(fā)現(xiàn)δ鐵素體、σ相、硫化物等會(huì)對(duì)耐點(diǎn)蝕性能有害的組織。Cr含量比標(biāo)準(zhǔn)稍低，降低耐點(diǎn)蝕的程度有限。因客戶未能提供水質(zhì)分析樣品，根據(jù)腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果判斷廢水及水蒸氣中含有較多的氯離子、鈉離子、鈣離子、鋁離子、硫離子，水質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性。氯離子是影響點(diǎn)蝕敏感性的主要元素。氯離子的活化作用對(duì)不銹鋼氧化膜的建立和破壞均起著重要作用。雖然至今文獻(xiàn)對(duì)氯離子如何使鈍化金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)的機(jī)理還沒有定論，但大致可分為2種觀點(diǎn)。成相膜理論的觀點(diǎn)認(rèn)為，由于氯離子半徑小，穿透力強(qiáng)，故它最容易穿透不銹鋼表面氧化膜內(nèi)極小的孔隙，到達(dá)金屬表面，并與金屬相互作用形成了可溶性化合物，使氧化膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不銹鋼發(fā)生腐蝕。吸附理論則認(rèn)為，氯離子破壞氧化膜的根本原因是由于氯離子有很強(qiáng)的可被金屬吸附的能力，它們優(yōu)先被金屬吸附，并從金屬表面把氧排掉。因?yàn)檠鯖Q定著金屬的鈍化狀態(tài)，氯離子和氧爭(zhēng)奪金屬表面上的吸附點(diǎn)，甚至可以取代吸附中的鈍化離子與金屬形成氯化物，氯化物與金屬表面的吸附并不穩(wěn)定，形成了可溶性物質(zhì)，這樣導(dǎo)致了腐蝕的加速。

預(yù)測(cè)不銹鋼和雙相鋼抗點(diǎn)蝕的經(jīng)驗(yàn)公式為：

PREN（耐點(diǎn)蝕當(dāng)量） = Cr + 3.3 (Mo + 0.5 W) + 16N

304的PREN為18~20，值較低，因此分析認(rèn)為此種環(huán)境選用304材質(zhì)不合理，易發(fā)生點(diǎn)蝕。為提高耐蝕性，建議對(duì)選材進(jìn)行優(yōu)化，選擇加Mo的雙相不銹鋼2205（PREN可達(dá)30.5~38.8）。

7.結(jié)論與建議

（1）送檢管子Cr含量比標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20878-2007稍低，夾雜物較少，金相組織正常。

（2）送檢管子內(nèi)壁腐蝕的原因?yàn)榘l(fā)生了點(diǎn)蝕。

（3）廢水含有氯離子、鈉離子、鈣離子、鋁離子、硫離子，具有較強(qiáng)的腐蝕性，選用304材質(zhì)不合理，建議選用耐點(diǎn)蝕性能更好的雙相不銹鋼2205。