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不锈钢在热力系统中的应力腐蚀情况如何
作者: 成都蓉荷不锈钢材料有限公司 发布日期:2018-03-14 关注次数:58 二维码分享

随着成都不锈钢在热力系统中的广泛应用,成都不锈钢“应力腐蚀开裂”造成的损失越来越大,国内外许多专家对这个问题的研究也越来越深入。有关人士对此问题专题研究多年,做了大量的调查、实验和分析,成都蓉荷不锈钢材料有限公司总结了大量实验结果,系统分析了事故的各种原因,提出不锈钢“应力腐蚀开裂”的新机理,特别对热力系统不同使用条件下不锈钢的选择、应用和防护提出了建议,希望能给同行以启发。

不锈钢是铁、铬、镍的合金,具有优良的抗腐蚀特性,常常被用在恶劣的工作环境下;在热力系统的交换器、管道伸缩器等设备和部件中被广泛应用。在理想情况下,不锈钢每100万年才能腐蚀一厘米,但在实际应用中,腐蚀往往在某处产生和扩大,有时很快就导致事故的发生。

成都不锈钢在热力系统中的应力腐蚀情况如何

一、 问题的产生

秦皇岛市热力总公司团结里锅炉房94年安装两台不锈钢板式水-水热交换器,一用一备。不到两个月,使用的交换器就发生故障。解体一看,在靠近热媒进口处的第一张不锈钢换热片压槽的突起部分,顺向发生1.2米长的开裂。紧急起用备用设备,才避免停供事故的发生。

二、事故分析

事故发生后,我们初步确定事故系不锈钢板受到外应力的作用而且又与腐蚀介质(含氯锅炉水)接触产生的“应力腐蚀开裂”。为了弄清事故的原因及采取恰当的防范对策,我们先后召开了几次专家分析会,走访了有关科研和生产单位,查阅了大量资料,做了相关的试验,基本弄清了热力系统不锈钢板“应力腐蚀开裂”机理。

“应力腐蚀开裂”是涉及力学、电化学、冶金学等许多因素的复杂现象,我们分析这次事故是这样产生的:换热片在加工成型时,在沟槽非常狭窄的前沿发生了金属损失;在工作状态下,当换热片受到交变的应力作用时,这个薄弱环节会产生通过金属逐渐扩散的微小裂纹;一般情况下,这种发生在金属浅表层弹性范围内的疲劳损伤,不会对金属产生影响;但压力变化产生连续的变形,特别是在尖端疲劳损伤处产生的微小的塑性变形,使得该区域金属表面的钝化薄膜在晶界不断破裂和重新钝化,产生滑移阶跃现象;这样一来,在已经形成膜的边缘和钝化膜不断破裂的尖端就会产生一个电位差,电化学反应在这里附加产生一个能使局部应力提高的斑点,不锈钢板是高度延展性的合金,这样一个应力升高的槽口就会产生一种短的脆性裂纹。交换器里的热媒,随着炉内循环时间的延长,氯离子不断浓缩,发生事故后我们化验的结果是98PPM;这样,在尖端的金属损失处,由于氯离子的作用,迅速屈服的材料会不断溶解,微小的裂纹以很快的速度通过这个地方而扩散,与其它类似的裂纹联成一体;这种裂纹通常是以晶间形式扩散,但在某一应力值下,扩散则从晶间腐蚀变为穿晶腐蚀,相当于从相对缓慢的晶间溶解作用变为相对迅速的穿晶应力腐蚀,导致换热片迅速开裂。

研究中我们也注意到国外的一些观点,他们研究的结论是:腐蚀发生处并不是随机的,它们总是产生在小块硫化锰周围几百纳米的区域;在不锈钢制造过程中,硫化物在局部产生高浓度的聚集,导致在周围区域中铬元素的降低,铬元素与氧气反应产生的铬氧化物能起到防止腐蚀的作用,低浓度的铬区最先产生腐蚀,在含有盐的水中,这个过程会变的更迅速。

我们认为:在没有机械加工损伤的实验室U型试样中,硫化物的形成,有可能成为“应力腐蚀开裂”的起点,但在经机械加工的物件中,金属机械损伤处应是最先产生”应力腐蚀开裂”的槽口,甚至一个小小的划痕都可能先于低浓度的铬区产生腐蚀。我们的实验也证实了这点。

三、实验研究

为了进一步弄清腐蚀机理,我们做了几个实验:

实验1

实验介质是含有100PPM氯离子的水,试件分别是100*300mm,0.7mm厚的18Cr-10Ni不锈钢板;试件一未有任何损伤,试件二在中间横向划一浅痕,试件三用热交换片;我们将三个试件弯成U型后夹住(保持弹性,划痕在外),放在盛有溶液的容器中,将容器放在65℃烘箱里,一周后(大约150小时)取出试件,我们发现:试件一基本没有变化;试件二划痕处有局部变色,其它部位无变化;试件三机械加工的突出处局部有白色腐蚀产物。

实验2

我们又将试件放回烘箱,将箱内温度调到95℃,一周后(大约150小时)再次取出试件,试件一有几个斑点;试件二在划痕处发生折断;试件三在弯曲前端附近机械加工的突出处断裂。

我们还在含有5PPM、25PPM、100PPM、海水等不同氯离子浓度的水中进行了不同温度(65℃、95℃)、不同应力(试件弯度大小)条件下的试验,实验有几个很明显的现象:

在95℃热水中,当氯离子浓度高于25PPM时,一般在一周(大约150小时)左右就会开始出现应力腐蚀,二周后(大约300小时)试件发生“应力腐蚀开裂”;受应力大的试件破坏的程度明显高于受应力小的试件;在氯离子浓度为5PPM的溶液中,试件没有发生变化;在海水等高浓度氯化物介质中,在95℃水温条件下的试件,一周后(大约150小时)全部发生“应力腐蚀开裂”。

实验表明,随着温度的升高,不锈钢在含氯离子的水中“应力腐蚀开裂”敏感性增加,产生“应力腐蚀开裂”的时间缩短;应力增加不锈钢破裂的时间缩短;氯离子浓度增加,导致不锈钢产生“应力腐蚀开裂”所需的应力值下降。

有些研究表明,在同等条件下,不锈钢在100℃的水中比在60℃时的“应力腐蚀开裂”的时间快25倍;温度越高,不锈钢越容易产生“应力腐蚀开裂”,而且,产生“应力腐蚀开裂”所需的氯离子浓度,随温度的升高而降低。这在我们的试验中得到了证实。

由于试验条件的限制,有些观点我们没有得到验证,但下面的说法我们认为是科学的。

有资料指出,进入热交换设备的工作介质温度较冷却介质温度起着更为主要的作用,不锈钢的表面温度一般系由温度较高的介质所决定;一般来说,对工作介质温度在140-180℃,冷却介质温度仅50-30℃便可引起设备的“应力腐蚀开裂”。

热水和高温水中,PH值在8左右破裂的倾向降低,但当PH值在9-10以上,反而有引起苛性“应力腐蚀开裂”的危险性。

高浓度氯化物介质中即使没有氧的存在,不锈钢“应力腐蚀开裂”照常进行。但在含有微量氯化物的热水和高温水中,溶解氧对应力腐蚀破坏则起决定作用,没有氧的存在,“应力腐蚀开裂”是相当困难的。

焊缝的敏感性高于母材。

四、“应力腐蚀开裂”的防护

“应力腐蚀开裂”的防护要注意内部介质和外部环境两方面。在实验室,防止“应力腐蚀开裂”的方法有许多种,比如,用强迫阴极化来减弱和消除“应力腐蚀开裂”,溶液除氧也是一种降低“应力腐蚀开裂”的手段;但在实际应用中,选择可操作又低成本的方法往往有一定难度;有些生产厂家对“应力腐蚀开裂”重视不够,在生产源头就给用户埋下了事故隐患。用户在设备选择时要根据实际使用的条件,严格材质和生产厂家的选择。

1、 材质选择

不锈钢有多种材质,各有不同的适用范围,价格差异也很大。从上面的分析可看出,在热力系统中,防氯离子腐蚀应是设备材质选择时要注意的主要矛盾;用户在设备选择时要根据实际使用的介质和环境条件,特别是根据具体氯离子含量选择合适的不锈钢材料。决不能不管什么材质,是不锈钢就行,也决不是价格高就耐腐蚀。

据我们的经验,如水中氯离子含量不超过25PPM,可以以价格为首选;超过这一数值,就要严格材质的选择,在氯离子含量不超过200PPM的条件下,洛阳七二五研究所研制的FN系列高镍铬耐蚀不锈钢基本可以满足要求;如氯离子含量超过200PPM,就要考虑工艺阻隔或化学覆盖等综合阻断措施了。

2、 工艺要求

根据腐蚀原理,在选择生产厂家时,设备的加工工艺是应该注意的。

在不锈钢板被加工成型时,要选择没有加工棱角的加工工艺,就是说换热片或补偿器在加工成型时,在每个沟槽前沿都不能形成死角,要有弧度,避免产生疲劳损伤。

部件加工成型后,要经整体退火处理,以减少加工的残余应力。南京晨光机械厂的不锈钢退火工艺,效果不错。

对多层板组合的补偿器波纹管,只要刚度允许,多层薄板组合要比少层的厚板组合耐腐蚀。

3、 阻断措施

阻断腐蚀性介质或复杂的外部环境与不锈钢板接触也是实际应用中防止“应力腐蚀开裂”一个很好的措施。

常用的阻断措施有两种:

一种是用其它材料阻断。外压轴向型补偿器就是为防止高氯离子地下水的腐蚀,在工作波纹管外另设一个保护波纹管;有的补偿器在波纹管外另设一道套筒补偿装置;有的补偿器为防止高氯离子介质腐蚀,在不锈钢波纹管内附加一层防腐材料做的波纹管,使用效果都不错。另一种是采用涂层的方法。目前,国内外对金属防腐主要有石油沥青、聚乙烯胶粘带、挤压聚乙烯、熔结环氧粉末、煤焦油瓷漆和环氧煤沥青等六种外涂层方法,这些方法大部分都要求对金属表面进行处理,不能适用不锈钢板;再者,对热力系统的换热片或补偿器而言,由于经常受到交变的应力作用和温度变化,容易造成涂层剥离。中国科学院沈阳金属研究所和大连供热工程应用技术研究所共同研发的不锈钢板熔结环氧粉末涂层技术,解决了不锈钢板防腐涂层的难题,大大降低了不锈钢板氯离子防护的成本。

4、 水质处理

在供热系统中,带有不锈钢板的设备如换热器或补偿器虽然不是主要设备,但它们一旦出事故往往影响整个系统正常运行;而在规定的水质标准中并没有氯离子含量指标,有时即使要求监控氯离子含量,也仅是为了控制水中溶解固形物指标。实际上,在带有不锈钢板设备的热力系统中,控制环境和介质水质中氯离子含量是解决不锈钢板“应力腐蚀开裂”的一个重要方面。

在实际应用中,外部环境对设备的影响有时是非常大的,应引起高度重视。仅就地下水而言,我们98年曾对秦皇岛市地下水中氯离子的含量进行了勘探普查,结果很令人吃惊,不仅分布很复杂,有的地方氯离子含量竟高达5000PPM;管道补偿器中的波纹管在这样的环境中工作,可能很快就发生事故。由于对这样的外部环境很难处理,在设备的选型和防护方面就要充分考虑。

可以肯定的讲,只要系统中有带有不锈钢板的设备,介质的氯离子含量就是不可忽视的;要么根据介质的氯离子含量选合适的材质,要么根据设备的材质选合适的水处理设备进行水质处理,特别在大型供热系统中,更应认真对待。

五、 结论

随着不锈钢在热力系统中的广泛应用,不锈钢的“应力腐蚀开裂”应越来越引起人们的注意;否则,本来人们认为最可靠的地方,反而会成为事故的多发点。应力、氯离子、氧、温度、机械损伤是产生不锈钢“应力腐蚀开裂”的重要因素,“应力腐蚀开裂”的防护要注意内部介质和外部环境两方面;在带有不锈钢板设备的供热系统中,水质标准应列上氯离子含量指标,在设备的选型和防护方面更应该充分考虑氯离子的影响。


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