不锈钢耐蚀设计以及局部腐蚀原因和解决办法

互推小编 2023-04-30

不锈钢耐蚀设计以及局部腐蚀原因和解决办法

腐蚀是金属的三大主要失效方式之一。在较为苛刻的环境常常选用不锈钢来抑制金属的腐蚀。然而，即使选用了不锈钢，构件在某些情况下仍然会发生腐蚀。

对于含铬镍的不锈钢材料来说，腐蚀有两种主要形式：一种是均匀腐蚀，另一种是局部腐蚀。在海洋大气中的铁锈就是一种一般或均匀腐蚀的典型例子。此处金属在其整个表面上均匀地被腐蚀。在这种情况下，钢表面形成疏松层，这层腐蚀产物很容易去除。均匀腐蚀是一种最容易处理的腐蚀形式，因为可以定量地确定金属的腐蚀率并可精确地预测金属的使用寿命。因此，均匀腐蚀是一种遭受诟病最小的腐蚀形式。它虽然带来腐蚀破坏，但可预测也可控制。

然而，局部腐蚀的发生经常令人措手不及。这是因为，局部腐蚀引起的破坏是很难预测的，设备的寿命也不能精确地计算。其中最讨厌的点蚀，它是金属局部腐蚀中最难对付的一种。因为千里之堤，溃于蚁穴。这所谓的点蚀，就是千里之堤上的蚁穴。

在金属发生腐蚀的过程中，会同时在电极上发生两种反应，一种是阴极反应，在阴极上非金属被还原，非金属得电子，化合价降低。另一种是阳极反应，阳极反应发生时，金属失去电子，化合价上升，金属离子从金属表面脱离。金属的腐蚀取决于腐蚀阻力最大的反应。因此，这也为解决金属腐蚀问题提供了一个主要指导思想。

利用阴极和阳极关系进行的耐蚀设计

如果某一大的阴极面与某一小的阳极面相连接时，阳极和阴极之间即会产生大的电流流动。这种情况必须避免。另一方面，当我们将情况颠倒一下，即让某一大的阳极面与小的阴极面相连接时，两种金属之间则会产生小的电流流动。这种情况是我们所期望的。我们将位于某一容器或槽中的焊接金属接点设计为阴极。

紧固件装置是这样设计的，即将阴极紧固件（小面积）与阳极件（大面积）连接在一起。此概念的例子是将钢板用铜铆钉铆接在一起并暴露在流动速度低的海水中。铜质固定件为小的阴极面，而钢板为大的阳极面。这种设计是非常便利的，而且可产生良好的相容性。

点蚀问题

点蚀在金属表面没有缝隙出现的情况下也可以产生。点蚀的发生可能来自于两方面因素：环境中的氯离子和微观组织或成分的不均匀性。特殊的腐蚀剂如氯化物的浓度达到一定程度后会造成不锈钢的点蚀。如果因为敏化等原因导致不锈钢中微观组织不均匀或铬、镍含量不均匀，甚至达不到抗点蚀的能力时，也会发生点蚀。金属表面上的缺陷也会引起点蚀。

例如，在不锈钢或镍合金保护性氧化层中的某个缺陷。点蚀可通过采用抗腐蚀能力高的合金或消除引起点蚀的化学元素的方法来防止。控制金属点蚀的另一个方面是消除环境介质中的阴极反应物，通常除氧会有较好的效果。随着坑的底部趋于阳极化，坑或缝隙的周围区趋于阴极化，于是电池电流的关系即被形成。当坑或缝隙中的腐蚀进一步扩展时，则变为自催化反应。三价铁离子与氯离子作用形成氯化铁。该反应不断重复并快速产生金属穿孔现象。点蚀或缝隙腐蚀是一种非常危险的腐蚀形式，因为它高度局部化并能快速造成金属的穿透破坏。

垢下腐蚀问题

正好在沉淀物下面或缝隙内，溶液中的氧含量是低的，在缝隙的外面大量溶液中的氧含量很高，这就建立了一个电池，其沉淀物下或缝隙中是阳极而其外面是阴极。含氯化物介质的缝隙的内部，pH 值下降而氯化物浓集。这种酸性氯化物条件导致腐蚀加快并且是自动起媒介作用的。接着便发生了严重的局部腐蚀。这种腐蚀形式的例子：当一个不锈钢紧固件放置在一块不锈钢钢板上并暴露于含氯化物的水中时产生。缝隙腐蚀可以在螺栓头或垫圈作为阳极区时发生。防止沉淀物和结垢生成或使用高合金含量的材料将有助于减少缝隙腐蚀。

剥落腐蚀

在此情况下，金属表面上形成疏松、片状的腐蚀层。即使低速流动也会将腐蚀物的疏松层很容易地除去。于是，新的未腐蚀的金属又被暴露出来，从而将形成许多另外的片状层。再一次重复，这些片状层被很容易地除去并且过程在继续进行着。使用不易起化学反应的合金可以避免剥落腐蚀。

金属层剥落示意图

缝隙腐蚀示意图

晶间腐蚀

出现于某些特殊的合金中，通常当它们在焊接或热处理期间加热到其敏感温度区时即可能会发生晶间腐蚀。当诸如某些不锈钢合金加热到425～870℃时，铬的碳化物即会在晶粒边界析出。导致碳化物附近出现贫铬区同时影响晶界区的钝化性。在特殊介质中，如硝酸或高温水中，可能出现低铬区的溶蚀现象。晶粒是以一种砂糖似的表面出现的，当用一取样器擦过时，它们很容易被擦掉。不锈钢和镍合金的晶间腐蚀可以通过采用低碳合金、加入碳化物形成元素如钛或铌，或利用稳定化退火来使之避免。

应力腐蚀裂纹

一个典型例子是一条由AISI 316 型不锈钢（UNS S31600）制成的绝热蒸汽管线。绝热材料中可能存在的氯化物当其受到雨淋时即可转移到金属表面。这种情况满足了应力腐蚀裂纹的产生条件：一种敏感合金——316 型不锈钢；一种特殊腐蚀剂――含氯化物的水；以及应力——冷加工的或焊接的管道。如果通过裂纹区做一横断面金相检查，将会观察到典型的穿晶（跨过晶粒和晶界）和分支裂纹。这就是奥氏体不锈钢的典型氯化物应力腐蚀裂纹。消除上述三种中的任何一种条件即可防止应力腐蚀裂纹的产生。

应力腐蚀破裂

含氧量影响腐蚀

通常，流入电厂的新鲜而清洁的水的腐蚀性并不很强。钢在中性水中可以很好地进行工作，其腐蚀率直接与溶解的氧容量有关。即氧含量越多，则腐蚀率越高。钢的腐蚀也与pH 值有关，pH 值高时，钢的腐蚀率低。当pH值降至4以下时，钢即会产生快速腐蚀。

温度也会加速钢的腐蚀

当温度由72℉升高至104℉（22~41℃）时即对钢的腐蚀率产生直接影响。流速对钢的腐蚀产生相反的影响。当海水的流速高于约每秒3 英尺（0.9 米/秒）时，钢的腐蚀会大大加快。对某一无保护的腐蚀物进行机械清除将会导致高的腐蚀率，因为腐蚀物的清除暴露出腐蚀率很高的新金属。同时高的流速会将大量的氧带到金属的裸露表面。因此，有更多的氧促使腐蚀率升高。

如果奥氏体不锈钢由于应力腐蚀裂纹而断裂，应考虑的替代材料则是双相不锈钢。由于其组织和成分的不同，它们与316型不锈钢比较可以在室温一直到600℉（315℃）的条件下具有较高的机械性能。它们还具有更高的抗应力腐蚀裂纹性能。双相合金通过增加铬和钼含量可获得更高的抗点蚀和缝隙腐蚀性能。

氯化物浓度对不锈钢腐蚀的影响

当在新水中使用304或304L不锈钢时，氯化物含量应小于200ppm。构件制造好以后，必须去掉残留铁。因为残留铁将起到像缝隙部位一样的作用，它也会通过与氯化物反应形成氯化铁从而加速局部腐蚀。304 管道需定期进行清洗以去除可形成缝隙的沉淀物或沉积物。应避免将304或304L制造的工厂设备暴露于不流动的水中（例如，流速小于0.9 米/秒），因为这样会在金属表面上形成沉积物。微生物腐蚀也必须进行控制。

为了在稍咸的水中成功地使用316L型不锈钢，氯化物含量应小于1000ppm，除非水已完全脱氧。脱氧水会阻止316L型不锈钢的点蚀、缝隙和应力腐蚀。在工厂设备制作过程中，焊缝应完全焊透并且光滑，这样才能获得最佳的防腐蚀效果。应使用含钼较高的或与焊接物相匹配的焊条。应像清理304型一样清理316L型不锈钢的表面，将任何残留铁去除，这一点很重要。通常，去除残留铁最佳的方法是用HNO3—HF清洗剂。另外，任何沉积物也应定期进行清除。注意避免不流动的水的情况是很重要的。在设备停止工作期间，水的流速最小应为0.9米/秒，以防止沉淀物的生成。