不锈钢由于其具有优良的耐均匀腐蚀性能、力学性能和工艺性能,而成为压力容器(包括固定式和移动式压力容器、热交换器等)应用多的耐蚀金属材料。其中奥氏体不锈钢又以其良好的综合性能占不锈钢总产量和使用量的70%左右。但是由于奥氏体不锈钢容器在氧化和弱氧化介质中会产生晶间腐蚀,或使设备局部腐蚀穿漏,或使材料丧失力学性能,所以晶间腐蚀失效的研究及预防成为奥氏体不锈钢压力容器设计中必不可少的一个环节。
一、晶间腐蚀的成因
不锈钢耐腐蚀的根本原因在于它含有铬、镍等提高金属电极电位的元素。在金属基体中,当铬含量达到17%时,含铬不锈钢就能在其阳极(负极)区的基体表面形成一种致密的氧化膜Cr2O3,即钝化膜。钝化膜可以阻碍阳极区的反应,同时增加阳极电位,减缓基体电化学腐蚀。然而不锈钢在300℃以上的热过程中,晶粒边界会析出碳化铬、氮化铬和铬的其他金属间的化合物等铬含量高于甚至大大高于不锈钢平均铬含量的高铬相,致使晶界高铬相与晶粒外缘相邻接的狭长区域的铬含量大大下降,称为贫铬区。当热过程较短时,晶粒本体的铬原子来不及充分向贫铬区扩散补充,温度下降后,贫铬区得以保持。在以后接触到某些具有晶间腐蚀能力的介质时,贫铬区的溶解速度会大大超过晶粒本身。晶粒本身为钝化腐蚀时,贫铬区常常为活化腐蚀,因而会产生晶间腐蚀。不锈钢贫铬区的存在是不锈钢产生晶间腐蚀敏感性的重要的原因之一。晶间腐蚀发生后,金属虽然表面仍保持的金属光泽,也看不出被破坏的迹象,但晶粒间的结合力已显著减弱,强度下降,冷弯后表面出现裂缝,容器容易遭到破坏。晶间腐蚀隐蔽性强,突发性破坏几率大,因此有严重的危害性,尤其在焊接时,焊缝附近的热影响区更容易发生晶间腐蚀。
二、解决不锈钢压力容器晶间腐蚀倾向的措施
1. 选用低碳和超低碳不锈钢,如00Cr18Ni10N、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2等,使晶间腐蚀敏感性降低到小值,且强度相对较低,目前这一方法已成为解决不锈钢晶间腐蚀问题的主要方法;
2. 利用合金化原理,避免形成铬的碳化物。Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe都是碳化物形成元素,形成碳化物的亲和力依次降低。综合比较之后,选择了钛和铌,即在形成铬的碳化物之前,先形成钛的碳化物。这样就保护了铬不被流失,避免形成贫铬区,基本上也能解决晶间腐蚀问题;
3. 进行固溶化处理。奥氏体不锈钢经固溶处理后,其力学性能比较如表(参考标准GB/T4237-2007不锈钢热轧钢板和钢带)所示,可见其强度和塑性非常接近,而所有的奥氏体不锈钢均不能热处理强化,只能通过冷作硬化以提高强度、硬度,在产品性能允许的情况下选用适当的材料,同时避免在晶间腐蚀的敏感温度区间的停留时间,这是避免晶间腐蚀的办法;
4. 焊接控制: 调整焊缝的化学成份,加入稳定化元素减少形成碳化铬的可能性,如加入钛或铌等；减少焊缝中的含碳量,可以减少和避免形成铬的碳化物,从而降低形成晶界腐蚀的倾向；控制在危险温度区的停留时间,防止过热,快焊快冷,使碳来不及析出；合理安排焊接顺序,多层焊和双面焊时,后一条焊缝的热作用可能对先焊焊缝的过热区起到敏化温度加热的作用。为此,双面焊缝中与腐蚀介质接触的一面应尽可能焊接。
三、结语
奥氏体制不锈钢压力容器的晶间腐蚀倾向严重影响了奥氏体不锈钢制压力容器的安全运行。应通过正确的选材,应尽量选用低碳和超低碳不锈钢,严格控制焊接过程,选择合适的焊接方法、焊接材料,遵循相关的焊接工艺,才能保证奥氏体不锈钢的焊接质量。同时,用于上述介质环境时,应按GB/T4334-2008《不锈钢晶间腐蚀试验方法》进行晶间腐蚀倾向试验，将晶间腐蚀倾向降至低,保证奥氏体不锈钢制压力容器的安全运行。