奥氏体不锈钢材料在换热设备中的应用

摘要：不锈钢材料具有良好性能，被广泛应用于换热给水压力设备中。在实际应用过程中，由于一些用户不了解奥氏体不锈钢材料的限制条件，导致设备投入使用后出现了严重腐蚀，甚至会导致设备报废，造成比较大的经济损失。文章以波纹管换热器为例，对奥氏体不锈钢材料的腐蚀开裂的原因进行分析，然后对奥氏体不锈钢材料的应用建议进行探讨。

关键词：奥氏体；不锈钢材料；换热设备；材料腐蚀；氯化物应力腐蚀 文献标识码：A

中图分类号：TQ051 文章编号：1009-2374（2017）11-0072-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.037

1 概述

不锈钢波纹管换热器是一种新型的换热设备，相较于传统的换热设备具有设备重量轻、传热系数高、不易结垢等优点，在供水、供热等场所得到广泛应用。另外，在石油炼制行业、制药行业、化工行业也都得到了广泛的应用。在使用过程中，由于上述行业涉及到的介质具有腐蚀性，再加上不锈钢波纹管换热器使用变截面薄壁换热元件，因此要对其防护性和腐蚀性进行分析，降低不必要的损失。

2 氯化物应力腐蚀开裂的主要问题及因素

2.1 氯化物应力腐蚀开裂的主要问题

304和316不锈钢均在耐腐蚀性能、强度和耐冲刷能力方面表现较强，同时具有良好的可加工性能，加之价格便宜，所以波节管换热器通常都会采用这两种不锈钢作为制作材料，然而这种不锈钢材料的最显著问题是承受应力腐蚀开裂的性能较差。所谓应力腐蚀开裂实际是指材料在腐蚀与应拉力的同时作用下而形成的破裂现象，这也属于这种腐蚀与均匀腐蚀、点腐蚀等的不同之处。疲劳腐蚀虽然也是应力和腐蚀介质共同作用下的一种腐蚀，但其属于交变应力，而不属于拉应力，所以其与应力腐蚀开裂是不相同的，通常情况下，人们将氢脆与碱裂也划归到应力腐蚀开裂的范畴。在城镇集中供热系统中，由于其中不涉及高浓度硫化物和苛性碱溶液，因此不容易产生氢脆与碱裂，这种应力腐蚀开裂主要是由水中的氯化物促成的，由此可见，氯离子容易引起奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂问题。

2.2 造成氯化物应力腐蚀开裂的主要因素

影响氯化物应力腐蚀开裂的主要因素是拉应力、水中氯离子含量、水中溶解氧的含量和水温四种。

拉应力属于腐蚀开裂发生的必要条件，裂口和拉应力呈垂直方向，而压应力与开裂是无关的。拉应力表现为单独的残余应力和外加应力形式或者以两者兼容的形式出现。由于波节管成形的残余应力非常大，在受热膨胀的情况下，波节管具有一定的补偿能力，所以其应力值较小。通过应力测试数据能够证明，水中氯化物和溶解氧的含量越高，而氯化物应力腐蚀的承受能力会越低，但在温度上则存在一个极值，当温度低于这一极值时，则应力腐蚀会随温度的上升而不断加剧；当温度高于这一极值时，则应力腐蚀会随着温度的上升逐渐

减弱。

应力腐蚀开裂的倾向预测具有非常大的困难。由于应力腐蚀开裂与应力、介质的种类和成分等较多的因素有关，加之模拟真实工况的难度很大，因此应力很难实现准确测定，通常应力腐蚀开裂被分为两個过程，即裂缝的萌生与扩展。客观的讲，腐蚀过程主要发生在裂缝中，裂缝内部的氯离子浓度要比裂缝外浓度高出将近10倍。在测试的过程中，因缝隙内无法进行测试，所以只能在缝隙外进行测定；若按照实际工况，则因出现破裂需要很长的时间，而难以获得较为系统的数据，所以在氯化物应力腐蚀开裂试验中，通常均将试件置于温度和浓度都很高的氯化物溶液中来对其破裂情况进行观察。

3 不锈钢材料在应用中的实验数据

3.1 在沸腾氯化镁溶液中获得的试验数据

通过向试件施加外力将其变成U型，试件由此就具有一定的内应力，该方法被称为变形加载法。在不同浓度的沸腾氯化镁溶液中观察试件的破裂时间，能够获得在不同浓度与温度条件下试件的准确破裂时间，实验表明：当304不锈钢大约在108.5℃、316不锈钢在131.5℃时，溶液浓度无论多高，都不会发生氯化物应力腐蚀开裂现象。而另一组研究者则在相同条件下对试件的断裂时间进行了观察，浓度关系如图1所示，研究者认为，如果可以在沸腾的氯化镁溶液中100h仍不破裂，那么就说明这种合金材料适合在这种条件下使用。从图1可以发现，316不锈钢的抗应力腐蚀开裂能力明显优于304不锈钢，如表1所示。

3.2 在高温水中实验获得的部分数据

在温度相同情况下，溶液的氯浓度与断裂时间的关系。其中表明，当温度在225℃、外加应力在1.75MPa的情况下，裂缝的孕育期、扩展期和断裂的具体时间，同时表明，当溶液浓度≤50ppm时，裂缝的孕育期非常长，甚至不易产生，当溶液浓度≥100ppm时，随着溶液浓度的增加，裂缝的孕育期时间会逐渐变短，而裂缝的扩展期会逐渐变长，裂缝的产生几率增强。

304不锈钢在溶液含氧浓度为0.1mg/L、氯化镁浓度为33%的情况下，温度和断裂时间之间的关系：若温度是100℃的情况下，则断裂时间需要1000h。图2表示304不锈钢若置放在氯浓度为600ppm的溶液中，且温度在150℃的情况下，断裂时间将会达到5000h。

图3展示了溶液温度与氯浓度对304不锈钢应力腐蚀开裂敏感性的影响程度试验结果：在温度处于200℃～300℃时，没有立即出现应力腐蚀开裂现象；在温度为150℃、氯的浓度为500ppm的情况下，经过了168h没有出现裂缝，由此可见，在高温水中，氯浓度≤50ppm时很难产生裂缝，有时氯浓度甚至达到600ppm也不易产生应力腐蚀开裂。通过认真分析发现，微量氧属于开裂产生的必要条件，若将水中的氧全部清除，则即使氯浓度很高，也不会出现应力腐蚀开裂现象。

4 对304和316不锈钢的应用范围建议

现阶段，我国在奥氏体不锈钢防范氯化物应力腐蚀开裂方面还没有制定较为明确的氯含量标准，因此，在城镇集中供热中的供热波节管换热器上，建议参照丹麦在该方面的有关规定，但不能完全照搬，而是要根据我国的实际，对氯含量的限制适当进行放宽，否则在水处理设备费用和运行费用方面将会非常高，鉴于此，建议将生水氯含量低于50ppm作为一个档次，具体如下：

第一，在水处理条件非常好的情况下，对水全部进行除氧，即氧含量必须小于0.1mg/L，且全部使用304不锈钢材料。

第二，在对水进行软化的同时，一次完成除氧，且生成水的氯含量小于50mg/L。在水温小于130℃的情况下，建议采用304不锈钢；当水温大于130℃的情况下，则建议运用316不锈钢。

第三，在水处理条件较差的情况下，当直供水温≤95℃时应选择304不锈钢；水温在100℃～130℃时应选用316不锈钢；当水温≥130℃时应寻找在抗氯化物应力腐蚀开裂性能方面质量更好的不锈钢新型材料。选择过程中需要从该材料的抗氯化物开裂的性能、加工性能和经济性等方面综合考虑。

第四，当蒸汽锅炉的蒸发量大于6t/h的时候，必须对水进行全部除氧。由于低压蒸汽通常不溶解盐类，所以当汽源温度过高时，可认为其中不含有氯化物。当汽源属于饱和蒸汽时，其中氯化物的杂质携带量通常与锅水质量和蒸汽湿度具有直接的关系，若锅炉汽水的分离装置良好，則锅炉就不易产生汽水共腾和严重的漏水现象，锅炉只要不在严重超负荷状态下运行，则蒸汽的湿度一般会保持在3%以下，而饱和蒸汽中所携带的氯化物也应该很少，所以锅炉汽水装置的良好运行，是防止氯化物应力腐蚀开裂问题的最有效保障。

第五，低碳不锈钢304L和316L通常只在焊接管中或者用户指定要求的情况下使用，为了有效节省成本，通常不使用低碳不锈钢材料。

第六，电化学保护应力腐蚀会与材料、环境的电化学反应具有非常密切的关系，因此在利用电化学方法的过程中，可通过以下两种形式来防止应力腐蚀破裂现象的发生：通过给定电位来使处于运动状态的游离电位从应力腐蚀敏感区离开；通过加入一定量的缓冲剂来使开路电位转移到应力腐蚀的不敏感区域。

5 结语

综上所述，奥氏体是否容易出现腐蚀开裂主要和热网和锅炉水处理装备及运行水平相关，当前有很多锅炉都没有设置除氧设备，一些设备虽然设置了除氧设备，但是由于运行不正常，会出现汽水分离器蒸汽短路，无法发挥分离作用，在允许过程中会出现漏水或汽水共腾事故，由于热网除污器失效或者失水率过高等情况的存在，很容易导致不锈钢材料腐蚀开裂，所以提升热网和锅炉的运行水平至关重要，本文重点对奥氏体不锈钢材料在防止氯化物应力腐蚀开裂的问题进行了探讨，在预防氯化物腐蚀方面具有一定的借鉴参考价值。

参考文献

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作者简介：刘德府（1964-），男，江苏徐州人，江苏中能硅业科技发展有限公司工程师，研究方向：化工设备。

（责任编辑：蒋建华）