不銹鋼板在熱力系統(tǒng)中的應力腐蝕分析

1、不銹鋼板在熱力系統(tǒng)中的應力腐蝕分析秦皇島市市政設計院閆成文內(nèi)容提要：隨著不銹鋼在熱力系統(tǒng)中的廣泛應用，不銹鋼“應力腐蝕開裂”造成的損失越來越大,國內(nèi)外許多專家對這個問題的研究也越來越深入。本人對此問題專題研究多年,做了大量的調(diào)查、實驗和分析,本文總結了大量實驗結果,系統(tǒng)分析了事故的各種原因,提出不銹鋼“應力腐蝕開裂”的新機理,特別對熱力系統(tǒng)不同使用條件下不銹鋼的選擇、應用和防護提出了建議,希望能給同行以啟發(fā)。 不銹鋼是鐵、鉻、鎳的合金，具有優(yōu)良的抗腐蝕特性，常常被用在惡劣的工作環(huán)境下；在熱力系統(tǒng)的交換器、管道伸縮器等設備和部件中被廣泛應用。在理想情況下，不銹鋼每100萬年才能腐蝕一厘米，但在實

2、際應用中，腐蝕往往在某處產(chǎn)生和擴大，有時很快就導致事故的發(fā)生。一、 問題的產(chǎn)生秦皇島市熱力總公司團結里鍋爐房94年安裝兩臺不銹鋼板式水水熱交換器，一用一備。不到兩個月，使用的交換器就發(fā)生故障。解體一看，在靠近熱媒進口處的第一張不銹鋼換熱片壓槽的突起部分，順向發(fā)生1.2米長的開裂。緊急起用備用設備，才避免停供事故的發(fā)生。二、事故分析事故發(fā)生后，我們初步確定事故系不銹鋼板受到外應力的作用而且又與腐蝕介質(zhì)(含氯鍋爐水)接觸產(chǎn)生的“應力腐蝕開裂”。為了弄清事故的原因及采取恰當?shù)姆婪秾Σ?，我們先后召開了幾次專家分析會，走訪了有關科研和生產(chǎn)單位，查閱了大量資料，做了相關的試驗，基本弄清了熱力系統(tǒng)不銹鋼板“

3、應力腐蝕開裂”機理?！皯Ωg開裂”是涉及力學、電化學、冶金學等許多因素的復雜現(xiàn)象，我們分析這次事故是這樣產(chǎn)生的：換熱片在加工成型時，在溝槽非常狹窄的前沿發(fā)生了金屬損失；在工作狀態(tài)下，當換熱片受到交變的應力作用時，這個薄弱環(huán)節(jié)會產(chǎn)生通過金屬逐漸擴散的微小裂紋；一般情況下，這種發(fā)生在金屬淺表層彈性范圍內(nèi)的疲勞損傷，不會對金屬產(chǎn)生影響；但壓力變化產(chǎn)生連續(xù)的變形，特別是在尖端疲勞損傷處產(chǎn)生的微小的塑性變形，使得該區(qū)域金屬表面的鈍化薄膜在晶界不斷破裂和重新鈍化，產(chǎn)生滑移階躍現(xiàn)象；這樣一來，在已經(jīng)形成膜的邊緣和鈍化膜不斷破裂的尖端就會產(chǎn)生一個電位差，電化學反應在這里附加產(chǎn)生一個能使局部應力提高的斑點，不

4、銹鋼板是高度延展性的合金，這樣一個應力升高的槽口就會產(chǎn)生一種短的脆性裂紋。交換器里的熱媒，隨著爐內(nèi)循環(huán)時間的延長，氯離子不斷濃縮，發(fā)生事故后我們化驗的結果是98PPM；這樣，在尖端的金屬損失處，由于氯離子的作用，迅速屈服的材料會不斷溶解，微小的裂紋以很快的速度通過這個地方而擴散，與其它類似的裂紋聯(lián)成一體；這種裂紋通常是以晶間形式擴散，但在某一應力值下，擴散則從晶間腐蝕變?yōu)榇┚Цg，相當于從相對緩慢的晶間溶解作用變?yōu)橄鄬ρ杆俚拇┚Ωg，導致?lián)Q熱片迅速開裂。研究中我們也注意到國外的一些觀點，他們研究的結論是：腐蝕發(fā)生處并不是隨機的，它們總是產(chǎn)生在小塊硫化錳周圍幾百納米的區(qū)域；在不銹鋼制造過程中

5、，硫化物在局部產(chǎn)生高濃度的聚集，導致在周圍區(qū)域中鉻元素的降低，鉻元素與氧氣反應產(chǎn)生的鉻氧化物能起到防止腐蝕的作用，低濃度的鉻區(qū)最先產(chǎn)生腐蝕，在含有鹽的水中，這個過程會變的更迅速。我們認為：在沒有機械加工損傷的實驗室U型試樣中，硫化物的形成，有可能成為“應力腐蝕開裂”的起點，但在經(jīng)機械加工的物件中，金屬機械損傷處應是最先產(chǎn)生”應力腐蝕開裂”的槽口，甚至一個小小的劃痕都可能先于低濃度的鉻區(qū)產(chǎn)生腐蝕。我們的實驗也證實了這點。三、實驗研究為了進一步弄清腐蝕機理，我們做了幾個實驗：實驗1實驗介質(zhì)是含有100PPM氯離子的水，試件分別是100300mm，0.7mm厚的18Cr10Ni不銹鋼板；試件一未有任

6、何損傷，試件二在中間橫向劃一淺痕，試件三用熱交換片；我們將三個試件彎成U型后夾?。ū３謴椥?，劃痕在外），放在盛有溶液的容器中，將容器放在65烘箱里，一周后（大約150小時）取出試件，我們發(fā)現(xiàn)：試件一基本沒有變化；試件二劃痕處有局部變色，其它部位無變化；試件三機械加工的突出處局部有白色腐蝕產(chǎn)物。實驗2我們又將試件放回烘箱，將箱內(nèi)溫度調(diào)到95，一周后（大約150小時）再次取出試件，試件一有幾個斑點；試件二在劃痕處發(fā)生折斷；試件三在彎曲前端附近機械加工的突出處斷裂。我們還在含有5PPM、25PPM、100PPM、海水等不同氯離子濃度的水中進行了不同溫度（65、95）、不同應力（試件彎度大小）條件下的

7、試驗，實驗有幾個很明顯的現(xiàn)象：在95熱水中，當氯離子濃度高于25PPM時，一般在一周（大約150小時）左右就會開始出現(xiàn)應力腐蝕，二周后（大約300小時）試件發(fā)生“應力腐蝕開裂”；受應力大的試件破壞的程度明顯高于受應力小的試件；在氯離子濃度為5PPM的溶液中，試件沒有發(fā)生變化；在海水等高濃度氯化物介質(zhì)中，在95水溫條件下的試件，一周后（大約150小時）全部發(fā)生“應力腐蝕開裂”。實驗表明，隨著溫度的升高，不銹鋼在含氯離子的水中“應力腐蝕開裂”敏感性增加，產(chǎn)生“應力腐蝕開裂”的時間縮短；應力增加不銹鋼破裂的時間縮短；氯離子濃度增加，導致不銹鋼產(chǎn)生“應力腐蝕開裂”所需的應力值下降。有些研究表明，在同等

8、條件下，不銹鋼在100的水中比在60時的“應力腐蝕開裂”的時間快25倍；溫度越高，不銹鋼越容易產(chǎn)生“應力腐蝕開裂”，而且，產(chǎn)生“應力腐蝕開裂”所需的氯離子濃度，隨溫度的升高而降低。這在我們的試驗中得到了證實。由于試驗條件的限制，有些觀點我們沒有得到驗證，但下面的說法我們認為是科學的。有資料指出，進入熱交換設備的工作介質(zhì)溫度較冷卻介質(zhì)溫度起著更為主要的作用，不銹鋼的表面溫度一般系由溫度較高的介質(zhì)所決定；一般來說，對工作介質(zhì)溫度在140180，冷卻介質(zhì)溫度僅5030便可引起設備的“應力腐蝕開裂”。熱水和高溫水中，PH值在8左右破裂的傾向降低，但當PH值在910以上，反而有引起苛性“應力腐蝕開裂”的

9、危險性。高濃度氯化物介質(zhì)中即使沒有氧的存在，不銹鋼“應力腐蝕開裂”照常進行。但在含有微量氯化物的熱水和高溫水中，溶解氧對應力腐蝕破壞則起決定作用，沒有氧的存在，“應力腐蝕開裂”是相當困難的。焊縫的敏感性高于母材。四、“應力腐蝕開裂”的防護“應力腐蝕開裂”的防護要注意內(nèi)部介質(zhì)和外部環(huán)境兩方面。在實驗室，防止“應力腐蝕開裂”的方法有許多種，比如，用強迫陰極化來減弱和消除“應力腐蝕開裂”，溶液除氧也是一種降低“應力腐蝕開裂”的手段；但在實際應用中，選擇可操作又低成本的方法往往有一定難度；有些生產(chǎn)廠家對“應力腐蝕開裂”重視不夠，在生產(chǎn)源頭就給用戶埋下了事故隱患。用戶在設備選擇時要根據(jù)實際使用的條件，嚴

10、格材質(zhì)和生產(chǎn)廠家的選擇。1、 材質(zhì)選擇不銹鋼有多種材質(zhì)，各有不同的適用范圍，價格差異也很大。從上面的分析可看出，在熱力系統(tǒng)中，防氯離子腐蝕應是設備材質(zhì)選擇時要注意的主要矛盾；用戶在設備選擇時要根據(jù)實際使用的介質(zhì)和環(huán)境條件，特別是根據(jù)具體氯離子含量選擇合適的不銹鋼材料。決不能不管什么材質(zhì)，是不銹鋼就行，也決不是價格高就耐腐蝕。據(jù)我們的經(jīng)驗，如水中氯離子含量不超過25PPM，可以以價格為首選；超過這一數(shù)值，就要嚴格材質(zhì)的選擇，在氯離子含量不超過200PPM的條件下，洛陽七二五研究所研制的FN系列高鎳鉻耐蝕不銹鋼基本可以滿足要求；如氯離子含量超過200PPM，就要考慮工藝阻隔或化學覆蓋等綜合阻斷措施

11、了。2、 工藝要求根據(jù)腐蝕原理，在選擇生產(chǎn)廠家時，設備的加工工藝是應該注意的。在不銹鋼板被加工成型時，要選擇沒有加工棱角的加工工藝，就是說換熱片或補償器在加工成型時，在每個溝槽前沿都不能形成死角，要有弧度，避免產(chǎn)生疲勞損傷。部件加工成型后，要經(jīng)整體退火處理，以減少加工的殘余應力。南京晨光機械廠的不銹鋼退火工藝，效果不錯。對多層板組合的補償器波紋管，只要剛度允許，多層薄板組合要比少層的厚板組合耐腐蝕。3、 阻斷措施阻斷腐蝕性介質(zhì)或復雜的外部環(huán)境與不銹鋼板接觸也是實際應用中防止“應力腐蝕開裂”一個很好的措施。常用的阻斷措施有兩種：一種是用其它材料阻斷。外壓軸向型補償器就是為防止高氯離子地下水的腐蝕

12、，在工作波紋管外另設一個保護波紋管；有的補償器在波紋管外另設一道套筒補償裝置；有的補償器為防止高氯離子介質(zhì)腐蝕，在不銹鋼波紋管內(nèi)附加一層防腐材料做的波紋管，使用效果都不錯。另一種是采用涂層的方法。目前，國內(nèi)外對金屬防腐主要有石油瀝青、聚乙烯膠粘帶、擠壓聚乙烯、熔結環(huán)氧粉末、煤焦油瓷漆和環(huán)氧煤瀝青等六種外涂層方法，這些方法大部分都要求對金屬表面進行處理，不能適用不銹鋼板；再者，對熱力系統(tǒng)的換熱片或補償器而言，由于經(jīng)常受到交變的應力作用和溫度變化，容易造成涂層剝離。中國科學院沈陽金屬研究所和大連供熱工程應用技術研究所共同研發(fā)的不銹鋼板熔結環(huán)氧粉末涂層技術，解決了不銹鋼板防腐涂層的難題，大大降低了不

13、銹鋼板氯離子防護的成本。4、 水質(zhì)處理在供熱系統(tǒng)中，帶有不銹鋼板的設備如換熱器或補償器雖然不是主要設備，但它們一旦出事故往往影響整個系統(tǒng)正常運行；而在規(guī)定的水質(zhì)標準中并沒有氯離子含量指標，有時即使要求監(jiān)控氯離子含量，也僅是為了控制水中溶解固形物指標。實際上，在帶有不銹鋼板設備的熱力系統(tǒng)中，控制環(huán)境和介質(zhì)水質(zhì)中氯離子含量是解決不銹鋼板“應力腐蝕開裂”的一個重要方面。在實際應用中，外部環(huán)境對設備的影響有時是非常大的，應引起高度重視。僅就地下水而言，我們98年曾對秦皇島市地下水中氯離子的含量進行了勘探普查，結果很令人吃驚，不僅分布很復雜，有的地方氯離子含量竟高達5000PPM；管道補償器中的波紋管在這樣的環(huán)境中工作，可能很快就發(fā)生事故。由于對這樣的外部環(huán)境很難處理，在設備的選型和防護方面就要充分考慮。可以肯定的講，只要系統(tǒng)中有帶有不銹鋼板的設備，介質(zhì)的氯離子含量就是不可忽視的；要么根據(jù)介質(zhì)的氯離子含量選合適的材質(zhì)，要么根據(jù)設備的材質(zhì)選合適的水處理設備進行水質(zhì)處理，特別在大型供熱系統(tǒng)中，更應認真對待。五、 結論隨著不銹鋼在熱力