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探傷儀必備知識-壓力管道金屬材料的腐蝕(一)
日期：2024-10-23 03:22
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摘要：探傷儀必備知識-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，而且也是十分嚴重的。腐蝕會造成重大的直接或間接損失，會造成災難性重大事故，而且危及人身**。因腐蝕而造成的生產設備和管道的跑、冒、滴、漏，會影響生產裝置的生產周期和設備壽命，增加生產成本，同時還會因有毒物質的泄漏而污染環境，危及人類健康。
根據腐蝕發生的機理分類
根據腐蝕發生的機理，可將其分為化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕三大類。
1化學腐蝕（Chemical Corrosion）
化學腐蝕是指金屬表面與非電解質直接發生純...
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，而且也是十分嚴重的。腐蝕會造成重大的直接或間接損失，會造成災難性重大事故，而且危及人身**。因腐蝕而造成的生產設備和管道的跑、冒、滴、漏，會影響生產裝置的生產周期和設備壽命，增加生產成本，同時還會因有毒物質的泄漏而污染環境，危及人類健康。
根據腐蝕發生的機理分類
根據腐蝕發生的機理，可將其分為化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕三大類。
1化學腐蝕（Chemical Corrosion）
化學腐蝕是指金屬表面與非電解質直接發生純化學作用而引起的破壞。金屬在高溫氣體中的硫腐蝕、金屬的高溫氧化均屬于化學腐蝕。
2電化學腐蝕（Electrochemical Corrosion）
電化學腐蝕是指金屬表面與離子導電的介質發生電化學反應而引起的破壞。電化學腐蝕是*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。其特點是：當低熔點的金屬溶入金屬材料中時，會對金屬材料產生“割裂”作用。由于低熔點的金屬強度一般較低，在受力狀態下它將優先斷裂，從而成為金屬材料的裂紋源。應該說，這種腐蝕在工程中并不多見。
根據腐蝕形態分類
按腐蝕形態分類，可分為**腐蝕、局部腐蝕和應力腐蝕三大類。
1**腐蝕（General Corrosion）
**腐蝕也稱均勻腐蝕，是在管道較大面積上產生的程度基本相同的腐蝕。均勻腐蝕是危險性*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械強度和使用壽命。
② 均勻腐蝕常用單位時間內腐蝕介質對金屬材料的腐蝕深度或金屬構件的壁厚減薄量（稱為腐蝕速率）來評定。SH3059標準中規定：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，其危害性遠比均勻腐蝕大，因為均勻腐蝕容易被發覺，容易設防，而局部腐蝕則難以預測和預防，往往在沒有先兆的情況下，使金屬構件突然發生破壞，從而造成重大火災或人身傷亡事故。局部腐蝕很普遍，據統計，均勻腐蝕占整個腐蝕中的17.8%，而局部腐蝕則占80%左右。
（1）點蝕（Pitting）
① 集中在全局表面個別小點上的深度較大的腐蝕稱為點蝕，也稱孔蝕。蝕孔直徑等于或小于深度。蝕孔形態如圖1所示。
圖1 點蝕孔的各種剖面形狀（選自ASTM標準）
② 點蝕是管道*具有破壞性的隱藏的腐蝕形態之一。奧氏體不銹鋼管道在輸送含氯離子或溴離子的介質時*容易產生點蝕。不銹鋼管道外壁如果常被海水或天然水潤濕，也會產生點蝕，這是因為海水或天然水中含有一定的氯離子。
③ 不銹鋼的點蝕過程可分為蝕孔的形成和蝕孔的發展兩個階段。
鈍化膜的不完整部位（露頭位錯、表面缺陷等）作為點蝕源，在某一段時間內呈活性狀態，電位變負，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進行。小孔內積累了過量的正電荷，引起外部Cl-的遷入以保持電中性，繼之孔內氯化物濃度增高。由于氯化物水解使孔內溶液酸化，又進一步加速孔內陽極的溶解。這種自催化作用的結果，使蝕孔不斷地向深處發展，如圖2所示。
圖2 點蝕孔生長機理
④ 溶液滯留容易產生點蝕；增加流速會降低點蝕傾向，敏化處理及冷加工會增加不銹鋼點蝕的傾向；固溶處理能提高不銹鋼耐點蝕的能力。鈦的耐點蝕能力高于奧氏體不銹鋼。
⑤ 碳鋼管道也發生點蝕，通常是在蒸汽系統（特別是低壓蒸汽）和熱水系統，遭受溶解氧的腐蝕，溫度在80～250℃間*為嚴重。雖然蒸汽系統是除氧的，但由于操作控制不嚴格，很難保證溶解氧量不超標，因此溶解氧造成碳鋼管道產生點蝕的情況經常會發生。
（2）縫隙腐蝕（Crevice Corrosion）
當管道輸送的物料為電解質溶液時，在管道內表面的縫隙處，如法蘭墊片處、單面焊未焊透處等，均會產生縫隙腐蝕。一些鈍性金屬如不銹鋼、鋁、鈦等，容易產生縫隙腐蝕。
縫隙腐蝕的機理，一般認為是濃差腐蝕電池的原理，即由于縫隙內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中發生，但以含氯化物的溶液中*嚴重，其機理不僅是氧濃差電池的作用，還有像點蝕那樣的自催化作用，如圖3所示。
圖3 縫隙腐蝕的機理
（3）焊接接頭的腐蝕
通常發生于不銹鋼管道，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，但在某些強腐蝕性介質中則會發生δ鐵素體選擇性腐蝕，即腐蝕只發生在δ鐵素體相（或進一步分解為σ相），結果呈海綿狀。
② 熱影響區腐蝕。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，有充分的時間析出碳化物，從而產生了晶間腐蝕。
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，其結果將造成晶粒脫落或使材料機械強度降低。
晶間腐蝕的機理是“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（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，則貧鉻區處于活化狀態，作為陽極，它和晶粒之間構成腐蝕原電池，貧鉻區陽極面積小，晶粒陰極面積大，從而造成晶界附近貧鉻區的嚴重腐蝕。
③ 熔合線處的刀口腐蝕，一般發生在用Nb及Ti穩定的不銹鋼（347及321）。刀口腐蝕大多發生在氧化性介質中。刀口腐蝕示意如圖4所示。
（4）磨損腐蝕
也稱沖刷腐蝕。當腐蝕性流體在彎頭、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物層產生機械沖刷破壞作用，同時又對不斷露出的金屬新鮮表面發生激烈的電化學腐蝕，從而造成比其他部位更為嚴重的腐蝕損傷。
這種損傷是金屬以其離子或腐蝕產物從金屬表面脫離，而不是像純粹的機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，則*易發生磨損腐蝕。不銹鋼的鈍化膜耐磨損腐蝕性能較差，鈦則較好。蒸汽系統、H2S-H2O系統對碳鋼管道彎頭、三通的磨損腐蝕均較嚴重。
（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壁，由于局部溫度降至露點以下，將發生冷凝現象，從而造成冷凝液腐蝕，即露點腐蝕。
（6）涂層破損處的局部大氣銹蝕
對于化工廠的碳鋼管線，這種腐蝕有時會很嚴重，因為化工廠區的大氣中常常含有酸性氣體，比自然大氣的腐蝕性強得多。
3應力腐蝕（Stress Corrosion）
金屬材料在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下發生的斷裂破壞，稱為應力腐蝕破裂。發生應力腐蝕破裂的時間有長有短，有經過幾天就開裂的，也有經過數年才開裂的，這說明應力腐蝕破裂通常有一個或長或短的孕育期。
應力腐蝕裂紋呈枯樹枝狀，大體上沿著垂直于拉應力的方向發展。裂紋的微觀形態有穿晶型、晶間型（沿晶型）和兩者兼有的混合型。
應力的來源，對于管道來說，焊接、冷加工及安裝時殘余應力是主要的。
并不是任何的金屬與介質的共同作用都引起應力腐蝕破裂。其中金屬材料只有在某些特定的腐蝕環境中，才發生應力腐蝕破裂。表1列出了容易引起應力腐蝕開裂的管道金屬材料和腐蝕環境的組合。
（1）堿脆
金屬在堿液中的應力腐蝕破裂稱堿脆。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多種金屬材料皆可發生堿脆。碳鋼（含低合金鋼）發生堿脆的趨勢如圖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碳鋼幾乎都可能產生堿脆，堿脆的*低溫度為50℃，所需堿液的濃度為40%～50%，以沸點附近的高溫區*易發生。
裂紋呈晶間型。奧氏體不銹鋼發生堿脆的趨勢如圖6所示。氫氧化鈉濃度在0.1%以上的濃度時18-8型奧氏體不銹鋼即可發生堿脆。以氫氧化鈉濃度40%*危險，這時發生堿脆的溫度為115℃左右。
超低碳不銹鋼的堿脆裂紋為穿晶型，含碳量高時，堿脆裂紋則為晶間型或混合型。當奧氏體不銹鋼中加入2%鉬時，則可使其堿脆界限縮小，并向堿的高濃度區域移動。鎳和鎳基合金具有較高的耐應力腐蝕的性能，它的堿脆范圍變得狹窄，而且位于高溫濃堿區。
金屬腐蝕的危害性是十分普遍的，而且也是十分嚴重的。腐蝕會造成重大的直接或間接損失，會造成災難性重大事故，而且危及人身**。因腐蝕而造成的生產設備和管道的跑、冒、滴、漏，會影響生產裝置的生產周期和設備壽命，增加生產成本，同時還會因有毒物質的泄漏而污染環境，危及人類健康。
根據腐蝕發生的機理分類
根據腐蝕發生的機理，可將其分為化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕三大類。
1化學腐蝕（Chemical Corrosion）
化學腐蝕是指金屬表面與非電解質直接發生純化學作用而引起的破壞。金屬在高溫氣體中的硫腐蝕、金屬的高溫氧化均屬于化學腐蝕。
2電化學腐蝕（Electrochemical Corrosion）
電化學腐蝕是指金屬表面與離子導電的介質發生電化學反應而引起的破壞。電化學腐蝕是*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。其特點是：當低熔點的金屬溶入金屬材料中時，會對金屬材料產生“割裂”作用。由于低熔點的金屬強度一般較低，在受力狀態下它將優先斷裂，從而成為金屬材料的裂紋源。應該說，這種腐蝕在工程中并不多見。
根據腐蝕形態分類
按腐蝕形態分類，可分為**腐蝕、局部腐蝕和應力腐蝕三大類。
1**腐蝕（General Corrosion）
**腐蝕也稱均勻腐蝕，是在管道較大面積上產生的程度基本相同的腐蝕。均勻腐蝕是危險性*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械強度和使用壽命。
② 均勻腐蝕常用單位時間內腐蝕介質對金屬材料的腐蝕深度或金屬構件的壁厚減薄量（稱為腐蝕速率）來評定。SH3059標準中規定：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，其危害性遠比均勻腐蝕大，因為均勻腐蝕容易被發覺，容易設防，而局部腐蝕則難以預測和預防，往往在沒有先兆的情況下，使金屬構件突然發生破壞，從而造成重大火災或人身傷亡事故。局部腐蝕很普遍，據統計，均勻腐蝕占整個腐蝕中的17.8%，而局部腐蝕則占80%左右。
（1）點蝕（Pitting）
① 集中在全局表面個別小點上的深度較大的腐蝕稱為點蝕，也稱孔蝕。蝕孔直徑等于或小于深度。蝕孔形態如圖1所示。
圖1 點蝕孔的各種剖面形狀（選自ASTM標準）
② 點蝕是管道*具有破壞性的隱藏的腐蝕形態之一。奧氏體不銹鋼管道在輸送含氯離子或溴離子的介質時*容易產生點蝕。不銹鋼管道外壁如果常被海水或天然水潤濕，也會產生點蝕，這是因為海水或天然水中含有一定的氯離子。
③ 不銹鋼的點蝕過程可分為蝕孔的形成和蝕孔的發展兩個階段。
鈍化膜的不完整部位（露頭位錯、表面缺陷等）作為點蝕源，在某一段時間內呈活性狀態，電位變負，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進行。小孔內積累了過量的正電荷，引起外部Cl-的遷入以保持電中性，繼之孔內氯化物濃度增高。由于氯化物水解使孔內溶液酸化，又進一步加速孔內陽極的溶解。這種自催化作用的結果，使蝕孔不斷地向深處發展，如圖2所示。
圖2 點蝕孔生長機理
④ 溶液滯留容易產生點蝕；增加流速會降低點蝕傾向，敏化處理及冷加工會增加不銹鋼點蝕的傾向；固溶處理能提高不銹鋼耐點蝕的能力。鈦的耐點蝕能力高于奧氏體不銹鋼。
⑤ 碳鋼管道也發生點蝕，通常是在蒸汽系統（特別是低壓蒸汽）和熱水系統，遭受溶解氧的腐蝕，溫度在80～250℃間*為嚴重。雖然蒸汽系統是除氧的，但由于操作控制不嚴格，很難保證溶解氧量不超標，因此溶解氧造成碳鋼管道產生點蝕的情況經常會發生。
（2）縫隙腐蝕（Crevice Corrosion）
當管道輸送的物料為電解質溶液時，在管道內表面的縫隙處，如法蘭墊片處、單面焊未焊透處等，均會產生縫隙腐蝕。一些鈍性金屬如不銹鋼、鋁、鈦等，容易產生縫隙腐蝕。
縫隙腐蝕的機理，一般認為是濃差腐蝕電池的原理，即由于縫隙內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中發生，但以含氯化物的溶液中*嚴重，其機理不僅是氧濃差電池的作用，還有像點蝕那樣的自催化作用，如圖3所示。
圖3 縫隙腐蝕的機理
（3）焊接接頭的腐蝕
通常發生于不銹鋼管道，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，但在某些強腐蝕性介質中則會發生δ鐵素體選擇性腐蝕，即腐蝕只發生在δ鐵素體相（或進一步分解為σ相），結果呈海綿狀。
② 熱影響區腐蝕。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，有充分的時間析出碳化物，從而產生了晶間腐蝕。
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，其結果將造成晶粒脫落或使材料機械強度降低。
晶間腐蝕的機理是“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（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，則貧鉻區處于活化狀態，作為陽極，它和晶粒之間構成腐蝕原電池，貧鉻區陽極面積小，晶粒陰極面積大，從而造成晶界附近貧鉻區的嚴重腐蝕。
③ 熔合線處的刀口腐蝕，一般發生在用Nb及Ti穩定的不銹鋼（347及321）。刀口腐蝕大多發生在氧化性介質中。刀口腐蝕示意如圖4所示。
（4）磨損腐蝕
也稱沖刷腐蝕。當腐蝕性流體在彎頭、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物層產生機械沖刷破壞作用，同時又對不斷露出的金屬新鮮表面發生激烈的電化學腐蝕，從而造成比其他部位更為嚴重的腐蝕損傷。
這種損傷是金屬以其離子或腐蝕產物從金屬表面脫離，而不是像純粹的機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，則*易發生磨損腐蝕。不銹鋼的鈍化膜耐磨損腐蝕性能較差，鈦則較好。蒸汽系統、H2S-H2O系統對碳鋼管道彎頭、三通的磨損腐蝕均較嚴重。
（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壁，由于局部溫度降至露點以下，將發生冷凝現象，從而造成冷凝液腐蝕，即露點腐蝕。
（6）涂層破損處的局部大氣銹蝕
對于化工廠的碳鋼管線，這種腐蝕有時會很嚴重，因為化工廠區的大氣中常常含有酸性氣體，比自然大氣的腐蝕性強得多。
3應力腐蝕（Stress Corrosion）
金屬材料在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下發生的斷裂破壞，稱為應力腐蝕破裂。發生應力腐蝕破裂的時間有長有短，有經過幾天就開裂的，也有經過數年才開裂的，這說明應力腐蝕破裂通常有一個或長或短的孕育期。
應力腐蝕裂紋呈枯樹枝狀，大體上沿著垂直于拉應力的方向發展。裂紋的微觀形態有穿晶型、晶間型（沿晶型）和兩者兼有的混合型。
應力的來源，對于管道來說，焊接、冷加工及安裝時殘余應力是主要的。
并不是任何的金屬與介質的共同作用都引起應力腐蝕破裂。其中金屬材料只有在某些特定的腐蝕環境中，才發生應力腐蝕破裂。表1列出了容易引起應力腐蝕開裂的管道金屬材料和腐蝕環境的組合。
（1）堿脆
金屬在堿液中的應力腐蝕破裂稱堿脆。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多種金屬材料皆可發生堿脆。碳鋼（含低合金鋼）發生堿脆的趨勢如圖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碳鋼幾乎都可能產生堿脆，堿脆的*低溫度為50℃，所需堿液的濃度為40%～50%，以沸點附近的高溫區*易發生。
裂紋呈晶間型。奧氏體不銹鋼發生堿脆的趨勢如圖6所示。氫氧化鈉濃度在0.1%以上的濃度時18-8型奧氏體不銹鋼即可發生堿脆。以氫氧化鈉濃度40%*危險，這時發生堿脆的溫度為115℃左右。
超低碳不銹鋼的堿脆裂紋為穿晶型，含碳量高時，堿脆裂紋則為晶間型或混合型。當奧氏體不銹鋼中加入2%鉬時，則可使其堿脆界限縮小，并向堿的高濃度區域移動。鎳和鎳基合金具有較高的耐應力腐蝕的性能，它的堿脆范圍變得狹窄，而且位于高溫濃堿區。
