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浙江省溫州市龍灣經濟開發(fā)區(qū)濱海二十二路416號
1.背景描述
客戶送檢樣品為4英寸不銹鋼管，內表面腐蝕嚴重。該鋼管材質為304不銹鋼，表面無鍍層，使用環(huán)境為廢水處理，鋼管內為含氯離子的水蒸氣，壓力為1~2公斤。設備已建設完成2年，實際運行時間約7個月。根據(jù)客戶反饋，該管道內壁腐蝕為普遍現(xiàn)象。
2.來樣照片
送檢樣品宏觀形貌如圖1所示，內表面腐蝕嚴重，布滿黃色腐蝕產物。
圖1 送檢樣品宏觀形貌
3.宏/微觀分析
送檢樣品宏觀形貌如圖2所示，內表面腐蝕嚴重，布滿黃色腐蝕產物。對黃色腐蝕產物取樣做微觀形貌及能譜分析，結果如圖3所示。腐蝕產物為黃黑色，較為疏松，能譜分析表明含有Cl、O、Na、Ca、Al、S等元素，其中Cl元素為不銹鋼腐蝕敏感元素。
圖2 內表面宏觀形貌
圖3 內表面微觀形貌
4材質分析
對送檢鋼管進行材質分析，包括成分分析、金相分析（含夾雜物分析及組織分析）。
4.1 取樣位置
取樣位置如圖4所示。
圖4 材質分析取樣位置
4.2 成分分析
對送檢樣品基材金屬進行成分分析，測試標準為SN/T 2718-2010及GB/T 20123-2006。分析儀器為紅外碳硫分析儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜，結果如表1所示。根據(jù)GB/T 20878-2007 《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分標準》，送檢管子材料為S30408（即304，非304L），但Cr含量低于標準要求。
表1 成分檢驗結果（wt%）
C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | |
檢測值 | 0.038 | 0.41 | 1.07 | 0.029 | 0.003 | 17.23 | 8.32 | 0.069 |
304 | ≤0.08 | ≤1.00 | ≤2.00 | ≤0.045 | ≤0.030 | 18.0~20.0 | 8.0~11.0 | - |
304L | ≤0.035 | ≤1.00 | ≤2.00 | ≤0.045 | ≤0.030 | 18.0~20.0 | 8.0~12.0 | - |
4.3 金相分析
（1）夾雜物
夾雜物分析結果如圖5所示。根據(jù)標準GB/T 10561-2005，夾雜物級別為B1+D0.5，材料較為潔凈，夾雜物較少。
圖5 夾雜物分析結果
（2）組織分析
分別對橫截面和縱截面取樣制成金相樣品，利用王水侵蝕后分析其金相組織，如圖6所示。橫截面及縱截面組織均為奧氏體+孿晶，根據(jù)標準GB/T 6394-2002，晶粒度6.0級。送檢4''管子組織正常，未見晶粒不均、有害相析出等缺陷。
圖6 基體組織
5.腐蝕處截面分析
5.1 取樣位置
在管子內壁腐蝕處取樣進行截面分析，取樣位置如圖7所示。
圖7 截面分析樣品取樣位置
5.2 截面分析
樣品橫截面經鑲樣拋光后宏觀形貌如圖8所示。可見內壁存在很多的蝕坑。微觀形貌見圖9所示，內壁微觀形貌為典型點蝕坑形貌，這與表面腐蝕產物中含有氯元素一致。
圖8 截面分析樣品宏觀形貌
圖9 截面分析樣品內表面微觀形貌
6.綜合分析
根據(jù)上述分析，得出以下結論：
（1）送檢樣品內表面腐蝕嚴重，布滿黃色腐蝕產物。能譜分析表明內壁腐蝕產物含有Cl、O、Na、Ca等元素。
（2）送檢管子材料為S30408（即304，非304L），但Cr含量比GB/T 20878-2007 《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分標準》要求稍低。
（3）送檢管子夾雜物級別為B1+D0.5，材料較為潔凈，夾雜物較少
（4）送檢管子橫截面及縱截面組織均為奧氏體+孿晶，晶粒度6.0級。未見晶粒不均、有害相析出等缺陷。
（5）送檢管子內壁存在很多的蝕坑。內壁微觀形貌為典型點蝕坑形貌，這與表面腐蝕產物中含有氯元素一致。
（6）送檢管子內壁腐蝕的原因為發(fā)生了點蝕。
點蝕是不銹鋼常見的局部腐蝕之一，其特征為金屬材料表面上出現(xiàn)蝕孔或麻點，且隨著時間的推移，蝕孔不斷向縱深方向發(fā)展，如圖10所示。
圖10 點蝕機理圖
點蝕的影響因素如下：
（1）環(huán)境因素的影響：不銹鋼點蝕是在特定腐蝕介質中發(fā)生的，點蝕通常發(fā)生在含有鹵素陰離子的溶液中，其中以氯化物、溴化物侵蝕性好強。另外，溶液所處的狀態(tài)對耐蝕性也有影響，溶液靜止狀態(tài)比流動狀態(tài)時容易發(fā)生點腐蝕。一種解釋認為流速對沉積物的影響所致，因為點蝕在鋼的表面有雜質附著時容易發(fā)生，在沉積物下面供氧不足，形成濃差電池，鈍態(tài)易被破壞。
（2）合金元素的影響：在不銹鋼中加入Mo，能提高鈍化膜的穩(wěn)定性，使不銹鋼表面生成很致密而牢固的鈍化膜，隨Mo含量的增加點蝕電位迅速提高，腐蝕速率降低。Cr含量是增加不銹鋼抗點蝕性能的基本元素之一，Cr含量增加可提高鋼的鈍化膜修復能力，從而改善鋼的抗點蝕性能。有文獻歸納了各元素對不銹鋼在氯化物溶液中的抗點蝕性能的影響，認為Cr、Mo、Ni、Si等是有益元素，Mn、S、Ti、Nb等是有害元素，C、Cu的影響則視在鋼中的狀態(tài)而定。
（3）組織的影響：不銹鋼中顯微組織對點蝕的影響也很大，如果組織中出現(xiàn)δ鐵素體、σ相、硫化物等會對耐點蝕性能有害。
（4）表面狀態(tài)的影響：光滑的表面比粗糙的表面發(fā)生點蝕的概率低。
送檢管子組織中未發(fā)現(xiàn)δ鐵素體、σ相、硫化物等會對耐點蝕性能有害的組織。Cr含量比標準稍低，降低耐點蝕的程度有限。因客戶未能提供水質分析樣品，根據(jù)腐蝕產物能譜分析結果判斷廢水及水蒸氣中含有較多的氯離子、鈉離子、鈣離子、鋁離子、硫離子，水質具有較強的腐蝕性。氯離子是影響點蝕敏感性的主要元素。氯離子的活化作用對不銹鋼氧化膜的建立和破壞均起著重要作用。雖然至今文獻對氯離子如何使鈍化金屬轉變?yōu)榛罨癄顟B(tài)的機理還沒有定論，但大致可分為2種觀點。成相膜理論的觀點認為，由于氯離子半徑小，穿透力強，故它好容易穿透不銹鋼表面氧化膜內極小的孔隙，到達金屬表面，并與金屬相互作用形成了可溶性化合物，使氧化膜的結構發(fā)生變化，不銹鋼發(fā)生腐蝕。吸附理論則認為，氯離子破壞氧化膜的根本原因是由于氯離子有很強的可被金屬吸附的能力，它們優(yōu)先被金屬吸附，并從金屬表面把氧排掉。因為氧決定著金屬的鈍化狀態(tài)，氯離子和氧爭奪金屬表面上的吸附點，甚至可以取代吸附中的鈍化離子與金屬形成氯化物，氯化物與金屬表面的吸附并不穩(wěn)定，形成了可溶性物質，這樣導致了腐蝕的加速。
預測不銹鋼和雙相鋼抗點蝕的經驗公式為：
PREN（耐點蝕當量） = Cr + 3.3 (Mo + 0.5 W) + 16N
304的PREN為18~20，值較低，因此分析認為此種環(huán)境選用304材質不合理，易發(fā)生點蝕。為提高耐蝕性，建議對選材進行優(yōu)化，選擇加Mo的雙相不銹鋼2205（PREN可達30.5~38.8）。
7.結論與建議
（1）送檢管子Cr含量比標準GB/T 20878-2007稍低，夾雜物較少，金相組織正常。
（2）送檢管子內壁腐蝕的原因為發(fā)生了點蝕。
（3）廢水含有氯離子、鈉離子、鈣離子、鋁離子、硫離子，具有較強的腐蝕性，選用304材質不合理，建議選用耐點蝕性能更好的雙相不銹鋼2205。
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