摘要：不銹鋼材料具有良好性能，被廣泛應(yīng)用于換熱給水壓力設(shè)備中。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于一些用戶不了解奧氏體不銹鋼材料的限制條件，導(dǎo)致設(shè)備投入使用后出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備報(bào)廢，造成比較大的經(jīng)濟(jì)損失。文章以波紋管換熱器為例，對(duì)奧氏體不銹鋼材料的腐蝕開裂的原因進(jìn)行分析，然后對(duì)奧氏體不銹鋼材料的應(yīng)用建議進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：奧氏體；不銹鋼材料；換熱設(shè)備；材料腐蝕；氯化物應(yīng)力腐蝕 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ051 文章編號(hào)：1009-2374（2017）11-0072-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.037

1 概述

不銹鋼波紋管換熱器是一種新型的換熱設(shè)備，相較于傳統(tǒng)的換熱設(shè)備具有設(shè)備重量輕、傳熱系數(shù)高、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)，在供水、供熱等場(chǎng)所得到廣泛應(yīng)用。另外，在石油煉制行業(yè)、制藥行業(yè)、化工行業(yè)也都得到了廣泛的應(yīng)用。在使用過程中，由于上述行業(yè)涉及到的介質(zhì)具有腐蝕性，再加上不銹鋼波紋管換熱器使用變截面薄壁換熱元件，因此要對(duì)其防護(hù)性和腐蝕性進(jìn)行分析，降低不必要的損失。

2 氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的主要問題及因素

2.1 氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的主要問題

304和316不銹鋼均在耐腐蝕性能、強(qiáng)度和耐沖刷能力方面表現(xiàn)較強(qiáng)，同時(shí)具有良好的可加工性能，加之價(jià)格便宜，所以波節(jié)管換熱器通常都會(huì)采用這兩種不銹鋼作為制作材料，然而這種不銹鋼材料的最顯著問題是承受應(yīng)力腐蝕開裂的性能較差。所謂應(yīng)力腐蝕開裂實(shí)際是指材料在腐蝕與應(yīng)拉力的同時(shí)作用下而形成的破裂現(xiàn)象，這也屬于這種腐蝕與均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕等的不同之處。疲勞腐蝕雖然也是應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下的一種腐蝕，但其屬于交變應(yīng)力，而不屬于拉應(yīng)力，所以其與應(yīng)力腐蝕開裂是不相同的，通常情況下，人們將氫脆與堿裂也劃歸到應(yīng)力腐蝕開裂的范疇。在城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)中，由于其中不涉及高濃度硫化物和苛性堿溶液，因此不容易產(chǎn)生氫脆與堿裂，這種應(yīng)力腐蝕開裂主要是由水中的氯化物促成的，由此可見，氯離子容易引起奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂問題。

2.2 造成氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的主要因素

影響氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的主要因素是拉應(yīng)力、水中氯離子含量、水中溶解氧的含量和水溫四種。

拉應(yīng)力屬于腐蝕開裂發(fā)生的必要條件，裂口和拉應(yīng)力呈垂直方向，而壓應(yīng)力與開裂是無關(guān)的。拉應(yīng)力表現(xiàn)為單獨(dú)的殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力形式或者以兩者兼容的形式出現(xiàn)。由于波節(jié)管成形的殘余應(yīng)力非常大，在受熱膨脹的情況下，波節(jié)管具有一定的補(bǔ)償能力，所以其應(yīng)力值較小。通過應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)能夠證明，水中氯化物和溶解氧的含量越高，而氯化物應(yīng)力腐蝕的承受能力會(huì)越低，但在溫度上則存在一個(gè)極值，當(dāng)溫度低于這一極值時(shí)，則應(yīng)力腐蝕會(huì)隨溫度的上升而不斷加劇；當(dāng)溫度高于這一極值時(shí)，則應(yīng)力腐蝕會(huì)隨著溫度的上升逐漸

減弱。

應(yīng)力腐蝕開裂的傾向預(yù)測(cè)具有非常大的困難。由于應(yīng)力腐蝕開裂與應(yīng)力、介質(zhì)的種類和成分等較多的因素有關(guān)，加之模擬真實(shí)工況的難度很大，因此應(yīng)力很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)定，通常應(yīng)力腐蝕開裂被分為兩個(gè)過程，即裂縫的萌生與擴(kuò)展?？陀^的講，腐蝕過程主要發(fā)生在裂縫中，裂縫內(nèi)部的氯離子濃度要比裂縫外濃度高出將近10倍。在測(cè)試的過程中，因縫隙內(nèi)無法進(jìn)行測(cè)試，所以只能在縫隙外進(jìn)行測(cè)定；若按照實(shí)際工況，則因出現(xiàn)破裂需要很長(zhǎng)的時(shí)間，而難以獲得較為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，所以在氯化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)中，通常均將試件置于溫度和濃度都很高的氯化物溶液中來對(duì)其破裂情況進(jìn)行觀察。

3 不銹鋼材料在應(yīng)用中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 在沸騰氯化鎂溶液中獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過向試件施加外力將其變成U型，試件由此就具有一定的內(nèi)應(yīng)力，該方法被稱為變形加載法。在不同濃度的沸騰氯化鎂溶液中觀察試件的破裂時(shí)間，能夠獲得在不同濃度與溫度條件下試件的準(zhǔn)確破裂時(shí)間，實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)304不銹鋼大約在108.5℃、316不銹鋼在131.5℃時(shí)，溶液濃度無論多高，都不會(huì)發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。而另一組研究者則在相同條件下對(duì)試件的斷裂時(shí)間進(jìn)行了觀察，濃度關(guān)系如圖1所示，研究者認(rèn)為，如果可以在沸騰的氯化鎂溶液中100h仍不破裂，那么就說明這種合金材料適合在這種條件下使用。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，316不銹鋼的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力明顯優(yōu)于304不銹鋼，如表1所示。

3.2 在高溫水中實(shí)驗(yàn)獲得的部分?jǐn)?shù)據(jù)

在溫度相同情況下，溶液的氯濃度與斷裂時(shí)間的關(guān)系。其中表明，當(dāng)溫度在225℃、外加應(yīng)力在1.75MPa的情況下，裂縫的孕育期、擴(kuò)展期和斷裂的具體時(shí)間，同時(shí)表明，當(dāng)溶液濃度≤50ppm時(shí)，裂縫的孕育期非常長(zhǎng)，甚至不易產(chǎn)生，當(dāng)溶液濃度≥100ppm時(shí)，隨著溶液濃度的增加，裂縫的孕育期時(shí)間會(huì)逐漸變短，而裂縫的擴(kuò)展期會(huì)逐漸變長(zhǎng)，裂縫的產(chǎn)生幾率增強(qiáng)。

304不銹鋼在溶液含氧濃度為0.1mg/L、氯化鎂濃度為33%的情況下，溫度和斷裂時(shí)間之間的關(guān)系：若溫度是100℃的情況下，則斷裂時(shí)間需要1000h。圖2表示304不銹鋼若置放在氯濃度為600ppm的溶液中，且溫度在150℃的情況下，斷裂時(shí)間將會(huì)達(dá)到5000h。

圖3展示了溶液溫度與氯濃度對(duì)304不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的影響程度試驗(yàn)結(jié)果：在溫度處于200℃～300℃時(shí)，沒有立即出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象；在溫度為150℃、氯的濃度為500ppm的情況下，經(jīng)過了168h沒有出現(xiàn)裂縫，由此可見，在高溫水中，氯濃度≤50ppm時(shí)很難產(chǎn)生裂縫，有時(shí)氯濃度甚至達(dá)到600ppm也不易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。通過認(rèn)真分析發(fā)現(xiàn)，微量氧屬于開裂產(chǎn)生的必要條件，若將水中的氧全部清除，則即使氯濃度很高，也不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

4 對(duì)304和316不銹鋼的應(yīng)用范圍建議

現(xiàn)階段，我國(guó)在奧氏體不銹鋼防范氯化物應(yīng)力腐蝕開裂方面還沒有制定較為明確的氯含量標(biāo)準(zhǔn)，因此，在城鎮(zhèn)集中供熱中的供熱波節(jié)管換熱器上，建議參照丹麥在該方面的有關(guān)規(guī)定，但不能完全照搬，而是要根據(jù)我國(guó)的實(shí)際，對(duì)氯含量的限制適當(dāng)進(jìn)行放寬，否則在水處理設(shè)備費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用方面將會(huì)非常高，鑒于此，建議將生水氯含量低于50ppm作為一個(gè)檔次，具體如下：

第一，在水處理?xiàng)l件非常好的情況下，對(duì)水全部進(jìn)行除氧，即氧含量必須小于0.1mg/L，且全部使用304不銹鋼材料。

第二，在對(duì)水進(jìn)行軟化的同時(shí)，一次完成除氧，且生成水的氯含量小于50mg/L。在水溫小于130℃的情況下，建議采用304不銹鋼；當(dāng)水溫大于130℃的情況下，則建議運(yùn)用316不銹鋼。

第三，在水處理?xiàng)l件較差的情況下，當(dāng)直供水溫≤95℃時(shí)應(yīng)選擇304不銹鋼；水溫在100℃～130℃時(shí)應(yīng)選用316不銹鋼；當(dāng)水溫≥130℃時(shí)應(yīng)尋找在抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂性能方面質(zhì)量更好的不銹鋼新型材料。選擇過程中需要從該材料的抗氯化物開裂的性能、加工性能和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮。

第四，當(dāng)蒸汽鍋爐的蒸發(fā)量大于6t/h的時(shí)候，必須對(duì)水進(jìn)行全部除氧。由于低壓蒸汽通常不溶解鹽類，所以當(dāng)汽源溫度過高時(shí)，可認(rèn)為其中不含有氯化物。當(dāng)汽源屬于飽和蒸汽時(shí)，其中氯化物的雜質(zhì)攜帶量通常與鍋水質(zhì)量和蒸汽濕度具有直接的關(guān)系，若鍋爐汽水的分離裝置良好，則鍋爐就不易產(chǎn)生汽水共騰和嚴(yán)重的漏水現(xiàn)象，鍋爐只要不在嚴(yán)重超負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，則蒸汽的濕度一般會(huì)保持在3%以下，而飽和蒸汽中所攜帶的氯化物也應(yīng)該很少，所以鍋爐汽水裝置的良好運(yùn)行，是防止氯化物應(yīng)力腐蝕開裂問題的最有效保障。

第五，低碳不銹鋼304L和316L通常只在焊接管中或者用戶指定要求的情況下使用，為了有效節(jié)省成本，通常不使用低碳不銹鋼材料。

第六，電化學(xué)保護(hù)應(yīng)力腐蝕會(huì)與材料、環(huán)境的電化學(xué)反應(yīng)具有非常密切的關(guān)系，因此在利用電化學(xué)方法的過程中，可通過以下兩種形式來防止應(yīng)力腐蝕破裂現(xiàn)象的發(fā)生：通過給定電位來使處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的游離電位從應(yīng)力腐蝕敏感區(qū)離開；通過加入一定量的緩沖劑來使開路電位轉(zhuǎn)移到應(yīng)力腐蝕的不敏感區(qū)域。

5 結(jié)語

綜上所述，奧氏體是否容易出現(xiàn)腐蝕開裂主要和熱網(wǎng)和鍋爐水處理裝備及運(yùn)行水平相關(guān)，當(dāng)前有很多鍋爐都沒有設(shè)置除氧設(shè)備，一些設(shè)備雖然設(shè)置了除氧設(shè)備，但是由于運(yùn)行不正常，會(huì)出現(xiàn)汽水分離器蒸汽短路，無法發(fā)揮分離作用，在允許過程中會(huì)出現(xiàn)漏水或汽水共騰事故，由于熱網(wǎng)除污器失效或者失水率過高等情況的存在，很容易導(dǎo)致不銹鋼材料腐蝕開裂，所以提升熱網(wǎng)和鍋爐的運(yùn)行水平至關(guān)重要，本文重點(diǎn)對(duì)奧氏體不銹鋼材料在防止氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的問題進(jìn)行了探討，在預(yù)防氯化物腐蝕方面具有一定的借鑒參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：劉德府（1964-），男，江蘇徐州人，江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司工程師，研究方向：化工設(shè)備。

（責(zé)任編輯：蔣建華）