奥氏体不锈钢设备腐蚀问题研究

徐昊，李萍，周彬，孙建，刘庆军

（1.江苏正帆华东净化设备有限公司；2.江苏菲达宝开电气股份有限公司，江苏 扬州 225800）

奥氏体不锈钢由于其具有良好的力学和化学性能，如韧性和塑性高、质量轻、外形精美等，因此被广泛应用于各种设备中。然而，虽然奥氏体不锈钢具有优良的综合性能，但在一些特殊工作环境中，很容易出现应力腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等现象。奥氏体不锈钢设备一旦发生腐蚀，不但会造成设备停机，带来经济损失，而且还会危机一线员工的人生安全影响非常巨大，尤其像一些制药设备厂的承压设备大部分采用的是奥氏体不锈钢，如果不采取措施防止其发生腐蚀，将会对企业的经济和员工的人生安全造成巨大危害。故对奥氏体不锈钢设备的腐蚀问题进行研究，具有重要意义。

1 奥氏体不锈钢概述

奥氏体不锈钢是指在常温状态下呈稳定奥氏体组织的不锈钢，其具有全面和良好的综合性能，在工业化设备中具有广泛的应用。正因为奥氏体不锈钢的优良综合性能，故在所有不锈钢类型中，奥氏体不锈钢占比高达70%，具有大约50个奥氏体不锈钢牌号，为我国医疗、化工、石油开采等领域做出了突出贡献。

通常根据奥氏体不锈钢所含的元素不同，可以分为铬镍奥氏体不锈钢和铬锰奥氏体不锈钢，俗称300 系列与200 系列。其中300 系列的奥氏体不锈钢所含的化学成分主要是镍，故展现出了良好的力学性能和生产工艺性能，但其强度和硬度受到了一定的影响，因此不适用于一些对硬度和强度较高的设备。300 系列奥氏体不锈钢的代表性产品就是18-8 型不锈钢（304 不锈钢），通过在其基础上加上若干元素可以发生演变，如加入Mo 可以加强耐点腐蚀和缝隙腐蚀、加入Ni可以加强耐应力腐蚀性能、加入Ni 和Cr 可以改善高温抗氧化性和强度等。200 系列的奥氏体不锈钢则含有的主要化学元素是锰和氮，由于氮元素具有固溶强化的作用，故200 系列的奥氏体不锈钢不但具有良好的韧性和塑性，而且强度和得到了改善。根据不同的含氮量，可分为控氮型如254SMO、中氮型如AL-6XN 和高氮型如1925hMo。由于奥氏体不锈钢再结晶温度很高，因此其在高温状态下稳定性相对较高，故广泛用作热强钢。在使用之前，通常需要进行固溶处理，从而使组织均匀并消除应力，提高耐腐蚀性和力学性能。

2 奥氏体不锈钢设备腐蚀类型

2.1 应力腐蚀

奥氏体不锈钢设备的应力腐蚀主要是指材料在拉应力的作用下，与腐蚀介质发生反应而造成失效的现象，常称作SCC。它的腐蚀机理是材料在应力和腐蚀介质的双重作用下，表面的氧化膜逐渐受到破坏，破坏的表面与完好的表面将会形成阴极和阳极，金属离子将会在阳极和阴极之间移动，产生电流，进一步腐蚀金属表面，此时，如果受到外界拉力或残余应力的作用，则表面受到破坏的地方将会逐渐形成裂纹，如果不加以防护，随着时间的推移，裂纹将会逐渐扩展，直至断裂。

应力腐蚀可以在发生在设备运行过程中，也可以发生在设备运行之前，甚至有些发生在设备的生产制造期间。由应力腐蚀机理可知，发生应力腐蚀过程中有一个“孕育期”，在这个期间内不易被发现，且时间长短不一，在设备发生故障之前不会有明显的预兆，因此它的危害性最大。

2.2 晶间腐蚀

奥氏体不锈钢设备的晶间腐蚀是指在腐蚀介质的作用下，沿着金属晶粒间的分界面向内部进行扩展而成的腐蚀现象，晶间腐蚀由于破坏了晶粒间的结合，因此材料的机械强度受到了很大的影响。奥氏体不锈钢设备发生晶间腐蚀过程中，其外观没有明显的变化，通常在小于500nm 的晶界范围内发生腐蚀，不易被发现，但晶粒间的结合力和力学性能会显著降低，因此其危害性极大，是奥氏体不锈钢应用中的一个极大的难题。

2.3 点腐蚀

点腐蚀是指在金属表面局部出现向深处发展的腐蚀小孔，相邻的其它地方的表面没有腐蚀或腐蚀很小的现象，它是奥氏体不锈钢设备中最为常见的一种局部腐蚀类型。其腐蚀机理是奥氏体不锈钢设备表面或钝化膜等保护层出现薄弱点时，如硫化物夹杂、晶界碳化物沉积、位错等处将会首先出现孔径为20 到30 微米的小蚀孔，形成点蚀的核心，形成核心以后，仍有很大一部分表面会继续钝化，点蚀核心区域将会不断增大，当增大到临界尺寸时，奥氏体不锈钢设备的表面将会出现肉眼可见的蚀孔，如果不采取措施加以防护，蚀孔将会加速扩展，最终使设备失效。

影响奥氏体不锈钢点蚀现象的因素有很多，主要分为环境因素和材料的化学成分因素。环境因素主要是指溶液中含有的各种离子，有的离子能加速点腐蚀，而有的离子则能减缓点腐蚀，如溶液中氯离子浓度达到一定值时，会促进点腐蚀现象的发生，溶液中硝酸根离子、氢氧根离子则会减缓点腐蚀现象。奥氏体不锈钢的化学成分对点腐蚀的影响主要是指成分中含有锰、硫、钛等元素会加速点腐蚀，而含有铬、钼、镍等元素则会减缓点腐蚀。

2.4 缝隙腐蚀

奥氏体不锈钢设备的缝隙腐蚀是指两个零件或设备连接处发生腐蚀的现象，如设备零件与零件焊接处、螺栓连接处等都会出现缝隙腐蚀。缝隙腐蚀主要是由缝隙内外介质间物质难以移动，即介质的电化学不均匀性而造成的，故它是一中闭塞电池腐蚀。缝隙腐蚀和点腐蚀相比，虽然引发条件不一样，但它们的发展阶段机理是一样的。

3 奥氏体不锈钢设备腐蚀的防范措施

3.1 改进设备的结构和加工工艺

在奥氏体不锈钢设备加工制造过程中，不可避免地会产生应力集中、残余应力或缝隙，而这些应力和缝隙是导致奥氏体不锈钢设备发生腐蚀的重要因素，因此可以通过改进设备的一些结构和加工工艺，使其隐患降到最低。

（1）设备的凹槽和连接点应设计较大的半径或平滑度，且尽量减少尖角和缝隙；

（2）改进焊接工艺，一方面要尽量避免焊缝的交叉，并保证缝隙最小，另一方面要严格按照焊接工艺顺序，使其产生的残余应力最小，且焊接坡口严禁热切割。此外在焊接后还要对表面进行抛光，使设备表面产生钝化膜减缓氯离子造成的点腐蚀；

（3）选择合适的机加工方法和改善设备的机加工质量，如采用喷丸处理造成的压应力，减缓应力腐蚀，同时尽量避免产生切削刀痕而引起应力集中及表面质量；

（4）选择合适的热处理工艺，如通过采用退火消除设备的残余应力，同时对焊缝进行低温处理。

3.2 改善使用环境

根据上文奥氏体不锈钢腐蚀类型的分析可知，氯离子浓度对点腐蚀的具有一定的影响，因此在设备使用过程中应尽量降低溶液中氯离子的浓度，如通过蒸馏或离子交换的方式减小氯离子，或者在溶液中加入SnO4、CdO4等缓冲剂提高抗腐蚀能力。此外，还需要定期对设备进行清洗，涂抹适宜的油脂等物质进行保养。

3.3 镀层保护

通过在奥氏体不锈钢设备表面进行电镀、喷涂耐蚀的金属层可以有效减缓其发生腐蚀的速度，如焊接前在焊接坡口和可能受焊接热影响的表面上电镀镍和铬等金属层，焊接后则在焊缝处和焊接热影响表面电镀。

3.4 改善奥氏体不锈钢的化学成分

化学成分不同的奥氏体不锈钢其抗腐蚀能力不一样，如高镍、高钼奥氏体不锈钢设备不但具有抗晶间腐蚀和点腐蚀的能力，还具有抗应力腐蚀的能力。实际工作中应根据奥氏体不锈钢设备的使用环境及需要抗腐蚀的类型决定奥氏体不锈钢的最佳化学成分。如工作中主要为了防止点腐蚀和缝隙腐蚀，应选择含钼高镍和铬的不锈钢，如工作中主要为了防止晶间腐蚀和应力腐蚀，应降低不锈钢中碳的含量。

4 结语

随着工业技术的发展，奥氏体不锈钢的化学成分将会不断改善，综合性能将会越来越高，使用范围也将越来越广泛。但奥氏体不锈钢设备腐蚀问题一直是个难题，常见的腐蚀类型有应力腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀以及缝隙腐蚀，如果对腐蚀问题不加以防范，将会产生严重的后果。尤其是像一些化工设备如压力容器盛装的大部分是有毒有害介质，一旦因为腐蚀原因发生泄漏将会造成严重的影响。因此，在奥氏体不锈钢设备使用过程中，一定要根据实际情况，采取有效措施，防止或延缓腐蚀现象的发生。