探傷人必備知識-壓力管道金屬材料的腐蝕(一)

金屬腐蝕的危害性是十分普遍的，而且也是十分嚴(yán)重的。腐蝕會造成重大的直接或間接損失，會造成災(zāi)難性重大事故，而且危及人身**。因腐蝕而造成的生產(chǎn)設(shè)備和管道的跑、冒、滴、漏，會影響生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)周期和設(shè)備壽命，增加生產(chǎn)成本，同時(shí)還會因有毒物質(zhì)的泄漏而污染環(huán)境，危及人類健康。

根據(jù)腐蝕發(fā)生的機(jī)理分類

根據(jù)腐蝕發(fā)生的機(jī)理，可將其分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕三大類。

1化學(xué)腐蝕（Chemical Corrosion）

化學(xué)腐蝕是指金屬表面與非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的破壞。金屬在高溫氣體中的硫腐蝕、金屬的高溫氧化均屬于化學(xué)腐蝕。

2電化學(xué)腐蝕（Electrochemical Corrosion）

電化學(xué)腐蝕是指金屬表面與離子導(dǎo)電的介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞。電化學(xué)腐蝕是*普遍、*常見的腐蝕，如金屬在大氣、海水、土壤和各種電解質(zhì)溶液中的腐蝕都屬此類。

3物理腐蝕（Physical Corrosion）

物理腐蝕是指金屬由于單純的物理溶解而引起的破壞。其特點(diǎn)是：當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)的金屬溶入金屬材料中時(shí)，會對金屬材料產(chǎn)生“割裂”作用。由于低熔點(diǎn)的金屬強(qiáng)度一般較低，在受力狀態(tài)下它將優(yōu)先斷裂，從而成為金屬材料的裂紋源。應(yīng)該說，這種腐蝕在工程中并不多見。

根據(jù)腐蝕形態(tài)分類

按腐蝕形態(tài)分類，可分為**腐蝕、局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕三大類。
 
1**腐蝕（General Corrosion）

**腐蝕也稱均勻腐蝕，是在管道較大面積上產(chǎn)生的程度基本相同的腐蝕。均勻腐蝕是危險(xiǎn)性*小的一種腐蝕。

① 工程中往往是給出足夠的腐蝕余量就能保證材料的機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命。

② 均勻腐蝕常用單位時(shí)間內(nèi)腐蝕介質(zhì)對金屬材料的腐蝕深度或金屬構(gòu)件的壁厚減薄量（稱為腐蝕速率）來評定。SH3059標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：腐蝕速率不超過0.05mm/a的材料為充分耐腐蝕材料；腐蝕速率為0.05～0.1mm/a的材料為耐腐蝕材料；腐蝕速率為0.1～0.5mm/a的材料為尚耐腐蝕材料；腐蝕速率超過0.5mm/a的材料為不耐腐蝕材料。

2局部腐蝕（Local Corrosion）

局部腐蝕又稱非均勻腐蝕，其危害性遠(yuǎn)比均勻腐蝕大，因?yàn)榫鶆蚋g容易被發(fā)覺，容易設(shè)防，而局部腐蝕則難以預(yù)測和預(yù)防，往往在沒有先兆的情況下，使金屬構(gòu)件突然發(fā)生破壞，從而造成重大火災(zāi)或人身傷亡事故。局部腐蝕很普遍，據(jù)統(tǒng)計(jì)，均勻腐蝕占整個腐蝕中的17.8%，而局部腐蝕則占80%左右。

（1）點(diǎn)蝕（Pitting）

① 集中在全局表面?zhèn)€別小點(diǎn)上的深度較大的腐蝕稱為點(diǎn)蝕，也稱孔蝕。蝕孔直徑等于或小于深度。蝕孔形態(tài)如圖1所示。


圖1 點(diǎn)蝕孔的各種剖面形狀（選自ASTM標(biāo)準(zhǔn)）

② 點(diǎn)蝕是管道*具有破壞性的隱藏的腐蝕形態(tài)之一。奧氏體不銹鋼管道在輸送含氯離子或溴離子的介質(zhì)時(shí)*容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕。不銹鋼管道外壁如果常被海水或天然水潤濕，也會產(chǎn)生點(diǎn)蝕，這是因?yàn)楹Ｋ蛱烊凰泻幸欢ǖ穆入x子。

③ 不銹鋼的點(diǎn)蝕過程可分為蝕孔的形成和蝕孔的發(fā)展兩個階段。

鈍化膜的不完整部位（露頭位錯、表面缺陷等）作為點(diǎn)蝕源，在某一段時(shí)間內(nèi)呈活性狀態(tài)，電位變負(fù)，與其鄰近表面之間形成微電池，并且具有大陰極小陽極面積比，使點(diǎn)蝕源部位金屬迅速溶解，蝕孔開始形成。

已形成的蝕孔隨著腐蝕的繼續(xù)進(jìn)行。小孔內(nèi)積累了過量的正電荷，引起外部Cl-的遷入以保持電中性，繼之孔內(nèi)氯化物濃度增高。由于氯化物水解使孔內(nèi)溶液酸化，又進(jìn)一步加速孔內(nèi)陽極的溶解。這種自催化作用的結(jié)果，使蝕孔不斷地向深處發(fā)展，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)蝕孔生長機(jī)理

④ 溶液滯留容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕；增加流速會降低點(diǎn)蝕傾向，敏化處理及冷加工會增加不銹鋼點(diǎn)蝕的傾向；固溶處理能提高不銹鋼耐點(diǎn)蝕的能力。鈦的耐點(diǎn)蝕能力高于奧氏體不銹鋼。


⑤ 碳鋼管道也發(fā)生點(diǎn)蝕，通常是在蒸汽系統(tǒng)（特別是低壓蒸汽）和熱水系統(tǒng)，遭受溶解氧的腐蝕，溫度在80～250℃間*為嚴(yán)重。雖然蒸汽系統(tǒng)是除氧的，但由于操作控制不嚴(yán)格，很難保證溶解氧量不超標(biāo)，因此溶解氧造成碳鋼管道產(chǎn)生點(diǎn)蝕的情況經(jīng)常會發(fā)生。

（2）縫隙腐蝕（Crevice Corrosion）

當(dāng)管道輸送的物料為電解質(zhì)溶液時(shí)，在管道內(nèi)表面的縫隙處，如法蘭墊片處、單面焊未焊透處等，均會產(chǎn)生縫隙腐蝕。一些鈍性金屬如不銹鋼、鋁、鈦等，容易產(chǎn)生縫隙腐蝕。

縫隙腐蝕的機(jī)理，一般認(rèn)為是濃差腐蝕電池的原理，即由于縫隙內(nèi)和周圍溶液之間氧濃度或金屬離子濃度存在差異造成的。縫隙腐蝕在許多介質(zhì)中發(fā)生，但以含氯化物的溶液中*嚴(yán)重，其機(jī)理不僅是氧濃差電池的作用，還有像點(diǎn)蝕那樣的自催化作用，如圖3所示。

圖3 縫隙腐蝕的機(jī)理

（3）焊接接頭的腐蝕

通常發(fā)生于不銹鋼管道，有三種腐蝕形式。

① 焊肉被腐蝕成海綿狀，這是奧氏體不銹鋼發(fā)生的δ鐵素體選擇性腐蝕。

為改善焊接性能，奧氏體不銹鋼通常要求焊縫含有3%～10%的鐵素體組織，但在某些強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中則會發(fā)生δ鐵素體選擇性腐蝕，即腐蝕只發(fā)生在δ鐵素體相（或進(jìn)一步分解為σ相），結(jié)果呈海綿狀。

② 熱影響區(qū)腐蝕。造成這種腐蝕的原因，是焊接過程中這里的溫度正好處在敏化區(qū)，有充分的時(shí)間析出碳化物，從而產(chǎn)生了晶間腐蝕。

晶間腐蝕是腐蝕局限在晶界和晶界附近而晶粒本身腐蝕比較小的一種腐蝕形態(tài)，其結(jié)果將造成晶粒脫落或使材料機(jī)械強(qiáng)度降低。

晶間腐蝕的機(jī)理是“貧鉻理論”。不銹鋼因含鉻而有很高的耐蝕性，其含鉻量必須要超過12%，否則其耐蝕性能和普通碳鋼差不多。不銹鋼在敏化溫度范圍內(nèi)（450～850℃），奧氏體中過飽和固溶的碳將和鉻化合成Cr23C6，沿晶界沉淀析出。

由于奧氏體中鉻的擴(kuò)散速度比碳慢，這樣，生成Cr23C6所需的鉛必然從晶界附近獲取，從而造成晶界附近區(qū)域貧鉻。如果含鉻量降到12%（鈍化所需極限含鉻量）以下，則貧鉻區(qū)處于活化狀態(tài)，作為陽極，它和晶粒之間構(gòu)成腐蝕原電池，貧鉻區(qū)陽極面積小，晶粒陰極面積大，從而造成晶界附近貧鉻區(qū)的嚴(yán)重腐蝕。

③ 熔合線處的刀口腐蝕，一般發(fā)生在用Nb及Ti穩(wěn)定的不銹鋼（347及321）。刀口腐蝕大多發(fā)生在氧化性介質(zhì)中。刀口腐蝕示意如圖4所示。

（4）磨損腐蝕

也稱沖刷腐蝕。當(dāng)腐蝕性流體在彎頭、三通等拐彎部位突然改變方向，它對金屬及金屬表面的鈍化膜或腐蝕產(chǎn)物層產(chǎn)生機(jī)械沖刷破壞作用，同時(shí)又對不斷露出的金屬新鮮表面發(fā)生激烈的電化學(xué)腐蝕，從而造成比其他部位更為嚴(yán)重的腐蝕損傷。

這種損傷是金屬以其離子或腐蝕產(chǎn)物從金屬表面脫離，而不是像純粹的機(jī)械磨損那樣以固體金屬粉末脫落。

如果流體中夾有氣泡或固體懸浮物時(shí)，則*易發(fā)生磨損腐蝕。不銹鋼的鈍化膜耐磨損腐蝕性能較差，鈦則較好。蒸汽系統(tǒng)、H2S-H2O系統(tǒng)對碳鋼管道彎頭、三通的磨損腐蝕均較嚴(yán)重。

（5）冷凝液腐蝕

對于含水蒸氣的熱腐蝕性氣體管道，在保溫層中止處或破損處的內(nèi)壁，由于局部溫度降至露點(diǎn)以下，將發(fā)生冷凝現(xiàn)象，從而造成冷凝液腐蝕，即露點(diǎn)腐蝕。

（6）涂層破損處的局部大氣銹蝕

對于化工廠的碳鋼管線，這種腐蝕有時(shí)會很嚴(yán)重，因?yàn)榛S區(qū)的大氣中常常含有酸性氣體，比自然大氣的腐蝕性強(qiáng)得多。

3應(yīng)力腐蝕（Stress Corrosion）

金屬材料在拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的斷裂破壞，稱為應(yīng)力腐蝕破裂。發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的時(shí)間有長有短，有經(jīng)過幾天就開裂的，也有經(jīng)過數(shù)年才開裂的，這說明應(yīng)力腐蝕破裂通常有一個或長或短的孕育期。

應(yīng)力腐蝕裂紋呈枯樹枝狀，大體上沿著垂直于拉應(yīng)力的方向發(fā)展。裂紋的微觀形態(tài)有穿晶型、晶間型（沿晶型）和兩者兼有的混合型。

應(yīng)力的來源，對于管道來說，焊接、冷加工及安裝時(shí)殘余應(yīng)力是主要的。

并不是任何的金屬與介質(zhì)的共同作用都引起應(yīng)力腐蝕破裂。其中金屬材料只有在某些特定的腐蝕環(huán)境中，才發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。表1列出了容易引起應(yīng)力腐蝕開裂的管道金屬材料和腐蝕環(huán)境的組合。

（1）堿脆

金屬在堿液中的應(yīng)力腐蝕破裂稱堿脆。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多種金屬材料皆可發(fā)生堿脆。碳鋼（含低合金鋼）發(fā)生堿脆的趨勢如圖5所示。

由圖5可知，氫氧化鈉濃度在5%以上的全部濃度范圍內(nèi)碳鋼幾乎都可能產(chǎn)生堿脆，堿脆的*低溫度為50℃，所需堿液的濃度為40%～50%，以沸點(diǎn)附近的高溫區(qū)*易發(fā)生。

裂紋呈晶間型。奧氏體不銹鋼發(fā)生堿脆的趨勢如圖6所示。氫氧化鈉濃度在0.1%以上的濃度時(shí)18-8型奧氏體不銹鋼即可發(fā)生堿脆。以氫氧化鈉濃度40%*危險(xiǎn)，這時(shí)發(fā)生堿脆的溫度為115℃左右。

超低碳不銹鋼的堿脆裂紋為穿晶型，含碳量高時(shí)，堿脆裂紋則為晶間型或混合型。當(dāng)奧氏體不銹鋼中加入2%鉬時(shí)，則可使其堿脆界限縮小，并向堿的高濃度區(qū)域移動。鎳和鎳基合金具有較高的耐應(yīng)力腐蝕的性能，它的堿脆范圍變得狹窄，而且位于高溫濃堿區(qū)。