鋼的腐蝕原因及分析

1、鋼的腐蝕、磨損失效鋼的腐蝕、磨損失效及其分析方法及其分析方法上海材料研究所耐蝕材料與環(huán)境敏感斷裂試驗(yàn)室鄭文龍鄭文龍鋼的腐蝕失效鋼的腐蝕失效金屬與環(huán)境介質(zhì)之間的化學(xué)金屬與環(huán)境介質(zhì)之間的化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的變質(zhì)或電化學(xué)作用而引起的變質(zhì)或破壞過(guò)程稱為金屬的腐蝕或破壞過(guò)程稱為金屬的腐蝕金屬腐蝕破壞所見(jiàn)到的統(tǒng)計(jì)報(bào)道： 1922年，15億美元/年 1937年，760公斤的鐵/5秒 1975年，700億美元/年直接損失間接損失？世界有關(guān)國(guó)家對(duì)腐蝕造成經(jīng)濟(jì)損失的統(tǒng)計(jì)世界有關(guān)國(guó)家對(duì)腐蝕造成經(jīng)濟(jì)損失的統(tǒng)計(jì)國(guó)別國(guó)別統(tǒng)計(jì)時(shí)間統(tǒng)計(jì)時(shí)間損失金額損失金額（億美元）（億美元）占國(guó)民經(jīng)占國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入濟(jì)收入G.N.PG.N.

2、P（% %）美國(guó)194919661973197519865510015070017004.2 英國(guó)1957196912.527.53.5日本194919741.19212西德1969197652.396.3加拿大197510澳大利亞19734.71.5瑞典19754荷蘭19680.7前蘇聯(lián)19879071059我國(guó)因腐蝕造成經(jīng)濟(jì)損失我國(guó)因腐蝕造成經(jīng)濟(jì)損失 我國(guó)雖然沒(méi)有就腐蝕所引起的損失我國(guó)雖然沒(méi)有就腐蝕所引起的損失做過(guò)系統(tǒng)的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，但腐蝕現(xiàn)象做過(guò)系統(tǒng)的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，但腐蝕現(xiàn)象的嚴(yán)重已相當(dāng)驚人的：的嚴(yán)重已相當(dāng)驚人的：19791979年某燃?xì)饽昴橙細(xì)夤镜囊夯瘹鈴S的公司的液化氣廠的400M240

3、0M2液化氣罐因液化氣罐因腐蝕開(kāi)裂所爆炸，當(dāng)場(chǎng)炸死腐蝕開(kāi)裂所爆炸，當(dāng)場(chǎng)炸死3030余人，余人，重傷重傷5050多人，僅多人，僅1 1次損失次損失650650萬(wàn)元。萬(wàn)元。7070年代隨著石油氣田的開(kāi)發(fā)，某氣田由年代隨著石油氣田的開(kāi)發(fā)，某氣田由于天然氣中硫化氫腐蝕造成設(shè)備突然于天然氣中硫化氫腐蝕造成設(shè)備突然破壞，引起天然氣的井噴，發(fā)生重大破壞，引起天然氣的井噴，發(fā)生重大的火災(zāi)事故，其損失不可估量；汽輪的火災(zāi)事故，其損失不可估量；汽輪發(fā)電機(jī)的葉輪應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂而飛裂，發(fā)電機(jī)的葉輪應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂而飛裂，造成重大事故，且現(xiàn)在還有許多葉輪造成重大事故，且現(xiàn)在還有許多葉輪和葉片發(fā)生開(kāi)裂事故，這樣的例子不和葉片發(fā)

4、生開(kāi)裂事故，這樣的例子不勝枚舉。目前我國(guó)每年腐蝕掉的鋼材勝枚舉。目前我國(guó)每年腐蝕掉的鋼材已超過(guò)已超過(guò)500500萬(wàn)噸。萬(wàn)噸。金屬腐蝕的分類金屬腐蝕的分類 按機(jī)理按機(jī)理v 電化學(xué)腐蝕v 非電化學(xué)腐蝕 按形態(tài)按形態(tài)v 均勻腐蝕v 局部腐蝕點(diǎn)蝕縫隙腐蝕電偶腐蝕晶間腐蝕應(yīng)力腐蝕氫脆、氫致開(kāi)裂、氫鼓泡和氫蝕疲勞腐蝕選擇性腐蝕美國(guó)杜邦公司因各類腐蝕引起的685起事故的統(tǒng)計(jì)破壞形式比例，%1968196919701971累計(jì)平均機(jī)械破壞總和39.543.547.545.244.8破壞形式氣蝕1.00.50.00.00.13冷壁腐蝕1.01.00.00.00.4腐蝕疲勞0.01.42.71.71.5引力腐蝕1

5、3.111.511.515.513.1縫隙腐蝕1.11.00.90.70.9脫合金腐蝕0.01.00.50.70.6材質(zhì)不當(dāng)1.00.50.00.70.4磨損腐蝕6.13.33.24.23.8微動(dòng)磨損1.00.00.50.00.3均勻腐蝕18.118.115.29.215.2電偶腐蝕0.00.01.40.40.4石墨化腐蝕0.00.00.00.70.1高溫腐蝕0.01.91.41.31.3熱壁腐蝕1.00.00.00.00.1氫鼓泡0.00.00.50.00.1氫脆斷裂0.00.50.50.70.4晶間腐蝕7.15.12.79.25.6點(diǎn)腐蝕10.18.68.84.27.9焊接腐蝕0.01.9

6、1.86.32.5總和65.556.552.154.855.2均均 勻勻 腐腐 蝕蝕General Corrosion發(fā)生腐蝕的基本條件發(fā)生腐蝕的基本條件腐蝕特征腐蝕特征防止措施防止措施電電 偶偶 腐腐 蝕蝕Galvanic Corrosion電偶序及影響因素電偶序及影響因素腐蝕特征腐蝕特征防止措施防止措施大陰極大陰極/小陽(yáng)極小陽(yáng)極不同金屬直接聯(lián)接不同金屬直接聯(lián)接絕緣、涂料、緩蝕劑絕緣、涂料、緩蝕劑縫縫 隙隙 腐腐 蝕蝕Crevice Corrosion發(fā)生腐蝕的基本條件發(fā)生腐蝕的基本條件腐蝕特征腐蝕特征防止措施防止措施點(diǎn)點(diǎn) 腐腐 蝕蝕Pitting Corrosion發(fā)生腐蝕的基本條件發(fā)生腐

7、蝕的基本條件腐蝕特征腐蝕特征防止措施防止措施晶晶 間間 腐腐 蝕蝕Intergranular Corrosion發(fā)生腐蝕的基本條件發(fā)生腐蝕的基本條件腐蝕特征腐蝕特征防止措施防止措施選選 擇擇 性性 腐腐 蝕蝕Selective Corrosion發(fā)生腐蝕的基本條件發(fā)生腐蝕的基本條件常見(jiàn)腐蝕形式：常見(jiàn)腐蝕形式： 黃銅脫鋅黃銅脫鋅 石墨化腐蝕石墨化腐蝕 高溫氧化及熔融鹽腐蝕高溫氧化及熔融鹽腐蝕磨磨 耗耗 腐腐 蝕蝕Erosion Corrosion發(fā)生腐蝕的基本條件發(fā)生腐蝕的基本條件 兩種特殊形式兩種特殊形式 氣蝕氣蝕 微動(dòng)磨損腐蝕微動(dòng)磨損腐蝕腐蝕特征腐蝕特征防止措施防止措施 選擇耐磨蝕材料選擇耐

8、磨蝕材料 合理設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì) 改變環(huán)境改變環(huán)境 涂層涂層 陰極保護(hù)陰極保護(hù)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂Stress Corrosion Cracking發(fā)生腐蝕的基本條件發(fā)生腐蝕的基本條件腐蝕特征腐蝕特征防止措施防止措施腐腐 蝕蝕 疲疲 勞勞Corrosion Fatigue發(fā)生腐蝕的基本條件發(fā)生腐蝕的基本條件腐蝕特征腐蝕特征防止措施防止措施氫氫 損損 傷傷Hydrogen Damage發(fā)生腐蝕的基本條件發(fā)生腐蝕的基本條件 氫腐蝕、氫脆、脫碳、氫鼓泡氫腐蝕、氫脆、脫碳、氫鼓泡化學(xué)工業(yè)中各類腐蝕化學(xué)工業(yè)中各類腐蝕損壞所占的比例損壞所占的比例CF10%一般腐蝕30%復(fù)合型腐蝕15%穿晶型S C C17%

9、沿晶型S C C6%HE2%HA1%點(diǎn)蝕5%晶間腐蝕4%腐蝕6%高溫腐蝕3%其它腐蝕1%磨損失效磨損失效構(gòu)件與其摩擦副摩擦過(guò)程產(chǎn)構(gòu)件與其摩擦副摩擦過(guò)程產(chǎn)生的失效行為生的失效行為典型的磨損過(guò)程典型的磨損過(guò)程磨損表磨損表載體及載體及磨損表磨損表載體及載體及磨損表磨損表載體及載體及面運(yùn)動(dòng)面運(yùn)動(dòng) 粒子運(yùn)動(dòng)粒子運(yùn)動(dòng)面運(yùn)動(dòng)面運(yùn)動(dòng) 粒子運(yùn)動(dòng)粒子運(yùn)動(dòng)面運(yùn)動(dòng)面運(yùn)動(dòng) 粒子運(yùn)動(dòng)粒子運(yùn)動(dòng)固相固相液相液相氣相氣相載體載體單相磨損單相磨損多相磨損多相磨損固相粒子固相粒子液相粒子液相粒子氣（汽）相粒子氣（汽）相粒子粘著磨損粘著磨損Adhesive WearAB磨粒磨損磨粒磨損Abrasive Wear基體AB腐蝕磨損腐蝕磨

10、損Corrosion WearBA微動(dòng)磨損微動(dòng)磨損Fretting Wear微動(dòng)磨損的三個(gè)特點(diǎn)：不規(guī)則的切向振動(dòng)使接觸部分產(chǎn)生滑移；磨屑裹夾在相互接觸的兩摩擦面間；循環(huán)應(yīng)力作用產(chǎn)生疲勞裂紋核心。沖蝕和氣蝕沖蝕和氣蝕Impact and Cavitation ErosionBAPP疲勞磨損疲勞磨損Fatigue CorrosionRRP接觸應(yīng)力p = 2P（2-x2）1/2/（2）平面接觸區(qū)半寬度= 4PR（1-2）/（E ）圓柱體內(nèi)部最大剪應(yīng)力max =（x-z）2+42xz）1/2/2最大剪應(yīng)力位于接觸表面下部0.67處，此處易形成裂紋核心腐蝕、磨損失效腐蝕、磨損失效研究分析的手段和方法研究

11、分析的手段和方法分析方法 最大穿透深度，nm分辨率，nm磨損失效應(yīng)用備注Auger電子譜 0.11.55金屬轉(zhuǎn)移，表面積聚物 在真空中分析 K射線光電子譜 1.5 7.55 m潤(rùn)滑劑反應(yīng)產(chǎn)物化學(xué)分析 在真空中分析橢圓儀 400 5001mm透明固體膜厚度 在空氣中分析Roman譜 400 50010有機(jī)膜厚度及化學(xué)分析 在空氣中分析Rutherford背散射 2m10表面膜厚度及成分 二次離子質(zhì)譜 濺射0.55 m表面化學(xué)分析 在真空中分析 在線掃描電鏡磨損試驗(yàn)裝置 5不斷變化的磨損表面顯微結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移膜的元素分析 在真空中分析光學(xué)顯微鏡200磨損形貌的特性及尺寸，表面膜顏色Normaski織構(gòu)

12、 在空氣中分析Fourier轉(zhuǎn)換紅外光譜 2000nm2000有機(jī)表面膜化學(xué)；高分子材料轉(zhuǎn)移和邊界潤(rùn)滑 在空氣中分析原子力顯微鏡0.1原子水平的摩擦力，原子水平的表面租糙度 表面輪廓儀0.125m用觸針?lè)y(cè)量表面粗糙度，加工表面和磨損表面的微觀形貌 磨損失效研究的表面分析工具腐蝕失效研究的表面分析工具儀器用途X射線衍射儀腐蝕產(chǎn)物的物相電子探針腐蝕產(chǎn)物的元素及相對(duì)含量俄歇電子能譜儀表面產(chǎn)物的元素及價(jià)態(tài)穆斯堡爾示譜儀腐蝕產(chǎn)物價(jià)態(tài)紅外吸收光譜儀有機(jī)產(chǎn)物分析失效分析步驟失效構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查宏觀分析（材質(zhì)、成型過(guò)程、熱處理、力學(xué)性能、失效形態(tài)） 微觀分析（組織形貌、開(kāi)裂機(jī)理） 表面產(chǎn)物分析（腐蝕產(chǎn)物類型、

13、組成及反應(yīng)過(guò)程） 失效類型的確定 重演性試驗(yàn)驗(yàn)證腐蝕、磨損失效腐蝕、磨損失效實(shí)例分析實(shí)例分析煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析概況： 揮發(fā)線水平放置膨脹節(jié)采用2mm厚的304不銹鋼縱向拼焊制造，經(jīng)約10個(gè)月的運(yùn)行發(fā)生開(kāi)裂，開(kāi)裂發(fā)生在水平下方內(nèi)壁，裂紋有數(shù)十條，長(zhǎng)度在30mm之內(nèi)。部分裂紋已穿透管壁，裂紋開(kāi)裂寬度達(dá)1mm。所有裂紋平行于膨脹節(jié)軸線，為縱向裂紋，主要分布在膨脹節(jié)的波谷內(nèi)壁。內(nèi)壁上有0.5mm以下的點(diǎn)蝕坑運(yùn)行條件：介質(zhì)：油 +汽（含有Cl-、H2S，冷凝水Cl- 測(cè)定為40ppm）；溫度：110150壓力：0.020.15MPa煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)

14、裂原因分析已有結(jié)論已有結(jié)論磁性檢查：膨脹節(jié)在成型中部分形成了馬氏體。金相檢查：裂紋呈穿晶擴(kuò)展，有分叉，不象奧氏體不銹鋼Cl-中的SCC裂紋分支分叉典型斷口分析：穿晶解理斷口，有明顯雞爪形發(fā)紋，即與氫致開(kāi)裂機(jī)理有關(guān)。腐蝕產(chǎn)物能譜分析：硫元素占重量的2.13%，未測(cè)出氯元素初步結(jié)論：硫化氫與水引起的濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析宏觀分析宏觀分析膨脹節(jié)谷底開(kāi)裂宏觀形貌 開(kāi)裂從膨脹節(jié)波紋管的內(nèi)壁谷底開(kāi)始，為縱向裂紋煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析宏觀形貌宏觀形貌內(nèi)壁出現(xiàn)的點(diǎn)腐蝕煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析宏觀形貌宏觀形貌內(nèi)

15、壁出現(xiàn)的點(diǎn)腐蝕煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析裂紋形態(tài)及擴(kuò)展途徑裂紋形態(tài)及擴(kuò)展途徑裂紋的軸向截面形貌 裂紋從點(diǎn)蝕坑開(kāi)始，起始裂紋有一段較直，后出現(xiàn)分叉。點(diǎn)蝕坑煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析裂紋形態(tài)及擴(kuò)展途徑裂紋形態(tài)及擴(kuò)展途徑裂紋的擴(kuò)展途徑 裂紋起始沒(méi)有分叉，為穿晶裂紋；后裂紋出現(xiàn)穿晶分叉。煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察斷口的掃描電鏡觀察膨脹節(jié)內(nèi)壁裂紋與腐蝕坑 煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察斷口的掃描電鏡觀察打開(kāi)裂紋后膨脹節(jié)的斷口 左下角為老斷口 煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹

16、節(jié)開(kāi)裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察斷口的掃描電鏡觀察裂紋開(kāi)裂源處的放大形貌起源處煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察斷口的掃描電鏡觀察開(kāi)裂源處的斷口形貌該圖是典型的脆性疲勞特征 平行輝紋二次裂紋裂紋擴(kuò)展方向煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察斷口的掃描電鏡觀察擴(kuò)展區(qū)中的解理臺(tái)階及二次裂紋煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析斷口的掃描電鏡觀察斷口的掃描電鏡觀察擴(kuò)展區(qū)中的解理刻面及臺(tái)階煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析斷口上的產(chǎn)物分析斷口上的產(chǎn)物分析膨脹節(jié)表面泥狀腐蝕產(chǎn)物腐蝕產(chǎn)物中有Cl、S 斷口上的產(chǎn)物分析斷口上的產(chǎn)物分析斷口源處的腐蝕產(chǎn)物腐蝕產(chǎn)物中有更高的Cl、S 煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析討論討論開(kāi)裂位置水平管道的下部，此處有積水（Cl-富集，H2S溶解；該處變形較嚴(yán)重，有高的殘余應(yīng)力。煉油廠常壓塔塔頂304SS傳油線膨脹節(jié)開(kāi)裂原因分析討論討論開(kāi)裂形貌開(kāi)裂形貌裂紋截面：點(diǎn)蝕坑穿晶裂紋分叉裂紋解理 + 二次裂紋；斷口觀察：點(diǎn)蝕坑（0.0300.050mm）解理 + 平行的疲勞輝紋 + 二次裂紋（0.50.6mm）解理臺(tái)階 + 二次裂紋（12mm）。煉油廠