應力腐蝕破裂及耐應力腐蝕不銹鋼的選擇
應力腐蝕破裂(SCC)是一種最多的局部腐蝕破壞形式。應力腐蝕是在靜拉伸應力狀態下,在某些特定介質環境中產生的一種腐蝕破壞類型。通常認為,當金屬—環境體系達到某種臨界狀態時便會產生SCC。這些狀態可區分為工作介質的環境因素(電位、pH值、雜質濃度、溫度、壓力等)、受力狀態(應力、應力強度因子、應變速率等)和材料的冶金因素(局部微觀化學、形變特點、屈服強度、純潔度、化學成分等),這三者必須共存,才能產生這種腐蝕破壞。
按裂紋的微觀形貌可將SCC分成穿晶型SCC,晶間型SCC、穿晶+晶間混合型SCC。按其生成的介質可區分高濃氯化物(MgCl2、CoCl、NaCI)、含Cl-水溶液、連多硫酸和苛性應力腐蝕。
不管哪種SCC均與周圍環境密切相關,易產生SCC的介質條件見表1和表2。
表1引起Cr-Ni奧氏體不銹鋼應力腐蝕的常見介質
| 序號 | 介質 |
| 1 | 各種氯化物或含氯化物的溶液 |
| 2 | 鹽水、海水、河水、井水、高溫高壓水、水蒸氣和海洋性大氣 |
| 3 | 氫氧化物/例如KOH、NaOH的水溶液 |
| 4 | 硝酸和硝酸鹽 |
| 5 | 氫氟酸、氟硅酸和含F-的水溶液 |
| 6 | HNO3+HF和HNO3+HCl+HF的酸洗液 |
| 7 | 硫化氫水溶液 |
| 8 | 連多硫酸(H2SxO6) |
| 9 | 硫酸和亞硫酸鹽 |
表2引起Cr-Ni奧氏體不銹鋼晶間型應力腐蝕的介質和條件
| 介質 | 材料的熱處理狀態 | 備注 |
| 含Cl-的中性水 | 敏狀態 | 即時室溫下也能產生 |
| 含Cl-的高溫水 | 敏狀態 | 例如/在250~350℃時 |
| 含F-的水 | 敏狀態 | 室溫下/僅2ppmF-也能產生 |
| 硝酸+Cl-的水溶液 | 敏狀態 | - |
| 海洋和工業大氣 | 敏狀態 | - |
| 連四硫酸鉀(K2S4O6) | 敏狀態 | 水中僅含2ppm/室溫下亦可產生 |
| 連多硫酸 | 敏狀態 | 室溫下亦可產生 |
| 僅含氧的高溫水 | 固溶態 | 例如/288℃沸水核反應堆條件下 |
| PH>10的堿性高溫水 | 固溶態 | 當有縫隙存在時 |
| 含NaOH的高溫水 | 固溶態 | 例如/316℃時的10%和45%NaOH |
| 硫酸+Cl-水溶液 | 固溶態 | 在室溫下亦可產生 |
在應力腐蝕環境中,選擇一種恰當的不銹鋼材料是一件難度較大的事情。一般來說,在高濃氯化物中應選用含Ni量高的牌號;在產生晶間SCC的環境中可選用Ti、Nb穩定化、超低碳或控氮奧氏體不銹鋼;在含Cl-水溶液中,在250℃以下可選用雙相不銹鋼、高純鐵素體不銹鋼。這僅僅是一個大體選材原則,對于具體問題需具體分析,最好在模擬試驗結果基礎上進行選擇。表3可作為選擇時的參考依據。
表3為防止應力腐蝕、不銹鋼和合金選擇表
| 序號 | 介質條件 | 可考慮選用的不銹鋼和合金類型 | |||
| 種類 | 沸騰溫度 | Cl-和OH-情況 | 濃縮或富集條件 | ||
| 1 | 高濃氯化物 | 沸騰溫度 | 高濃度Cl- | 無 | 高硅Cr-Ni不銹鋼 |
| 鐵素體不銹鋼 | |||||
| 高鎳不銹鋼和合金 | |||||
| 2 | 含Cl-水溶液 | ≤60℃ | 低濃度Cl- | 無 | 普通18-8/12-2不銹鋼 |
| Cr18Mo2鐵素體不銹鋼 | |||||
| 18-5-Mo等雙相不銹鋼 | |||||
| ≤60℃ | 低濃度Cl- | 有 | Cr18Mo2鐵素體不銹鋼 | ||
| 18-5-Mo等雙相不銹鋼 | |||||
| ≤60℃ | 高濃度Cl- | 有 | Cr26Mo1等鐵素體不喜歡 | ||
| 含Cr22%~25%的含Mo雙相不銹鋼 | |||||
| 高Cr/Mo的高鎳不銹鋼/如Cr20Ni25Mo4.5Cu | |||||
| 60~150℃ | 低濃度Cl- | 有 | Cr18Mo2/Cr26Mo1等鐵素體不銹鋼/18-5和22-5、25-5型雙相含Mo不銹鋼/搞Cr、Mo的高鎳不銹鋼/如Cr20Ni25Mo4.5Cu | ||
| 150~200℃ | 低濃度Cl- | 有 | 同上 | ||
| Cr20Ni32Fe等鐵-鎳基合金 | |||||
| 200~350℃ | 低濃度Cl- | 有 | Cr20Ni32Fe等鐵-鎳基合金Cr30Ni60Fe10等鎳基合金 | ||
| 3 | H2SxO6 | 室溫 | 無Cl- | 無 | 含Ti/Nb的18-8不銹鋼并經穩定化處理 |
| 室溫 | 有Cl- | 有 | Cr26Ni32Fe等鐵-鎳基合金 | ||
| 4 | 含H2SO4水溶液 | ≥60℃ | 無 | 無 | 18-2-2型Cr-Ni不銹鋼 |
| ≥60℃ | 低濃度Cl- | 有 | 18-5-Mo和22-5-Mo-N、25-5-Mo-N型雙相不銹鋼 | ||
| ≥60℃ | 高濃度Cl- | 有 | Cr20Ni25Mo4.5Cu等高鎳不銹鋼 | ||
| <60℃ | 高濃度Cl- | 有 | Cr20Ni25Mo4.6Cu等高鎳不銹鋼 | ||
| 5 | 含NaOH水溶液 | ≤120℃ | NaOH≤20% | 無 | 18-8或18-12-2Cr-Ni不銹鋼 |
| 無Cl- | |||||
| 85℃ | NaOH50% | - | 超低碳18-8;Cr26Mo1;Cr25Ni20不銹鋼 | ||
| NaCl2.5% | |||||
| 85℃ | NaOH15%~25% | - | 超低碳18-8;Cr26Mo1;Cr25Ni20不銹鋼 | ||
| NaCl10%~15% | |||||
| 140℃ | NaOH45% | - | Cr26Mo1/Cr30Mo2/1Cr15Ni75Fe | ||
| NaCl15% | |||||
| 300~350℃ | NaOH<10% | - | Cr20Ni32Fe等鐵-鎳基合金 | ||
| 無Cl- | |||||
| 300~350℃ | NaOH>10% | 有 | 1Cr15Ni75Fe、Cr30Ni60Fe10等合金 | ||
| 無Cl- | |||||
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