金屬波紋管的腐蝕問題

關(guān)于金屬波紋管的腐蝕問題研究金屬波紋管腐蝕的重要性波紋管是一種很特殊的構(gòu)件。波紋管是管系中十分關(guān)鍵又比較薄弱的環(huán)節(jié)。波紋管的材料多為奧氏體不銹鋼，它對若干介質(zhì)和鹵素離子極為敏感。發(fā)生的波紋膨脹節(jié)腐蝕失效案例已占各種失效案例的笫一位。因此研究波紋管的腐蝕與防護(hù)問題十分重要。第2頁,共45頁，星期六，2024年，5月腐蝕的種類金屬腐蝕可分為全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕指整個金屬表面均發(fā)生腐蝕，可以是均勻的也可以是不均勻的。局部腐蝕的種類很多：如點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、腐蝕疲勞、選擇腐蝕等。從腐蝕失效案例看：局部腐蝕占82.2％，全面腐蝕占17.8％。局部腐蝕危險(xiǎn)性極大，往往在沒有預(yù)兆的情況下，構(gòu)件突然爆(斷)裂第3頁,共45頁，星期六，2024年，5月金屬波紋管腐蝕的常見類型點(diǎn)腐蝕應(yīng)力腐蝕晶間腐蝕第4頁,共45頁，星期六，2024年，5月點(diǎn)腐蝕點(diǎn)腐蝕是一種腐蝕集中在金屬表面數(shù)十微米且向縱深發(fā)展的腐蝕形式第5頁,共45頁，星期六，2024年，5月點(diǎn)蝕的外觀形貌1)金屬表面腐蝕極其輕微，只是局部出現(xiàn)腐蝕小孔。2)表面看上去不是蝕坑，凹坑仍呈金屬光澤。3)蝕坑尺寸很小，且被腐蝕物蓋。第6頁,共45頁，星期六，2024年，5月波殼上的點(diǎn)腐蝕空洞

點(diǎn)蝕造成波紋管壁穿孔，使大量介質(zhì)外洩，引發(fā)事故。第7頁,共45頁，星期六，2024年，5月現(xiàn)場用高溫樹脂堵漏第8頁,共45頁，星期六，2024年，5月點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕的交互作用由于波殼受到拉應(yīng)力的作用，往往造成腐蝕由點(diǎn)蝕開始，呈樹枝狀裂紋沿波殼壁厚縱深方向延伸，最終造成點(diǎn)蝕加應(yīng)力腐蝕的失效破裂。第9頁,共45頁，星期六，2024年，5月點(diǎn)蝕發(fā)生的條件當(dāng)不銹鋼和鋁等金屬材料表面鈍化膜被破壞并接觸含有鹵族離子溶液時(shí)。第10頁,共45頁，星期六，2024年，5月3000X下316L夾雜物形貌

第11頁,共45頁，星期六，2024年，5月點(diǎn)腐蝕位置和夾雜物能譜分析

第12頁,共45頁，星期六，2024年，5月影響點(diǎn)腐蝕的因素1.材料方面1)合金元素的影響含Cr量的增大，致使點(diǎn)蝕電位向正方向移動，Mo是抑制活性金屬表面溶解的重要元素，在氯離子存在的環(huán)境中，為再鈍化爭取了時(shí)間，防止了膜的破壞，所以在有氯離子的環(huán)境中應(yīng)該首選高Cr、含Mo含N的奧氏體不銹鋼。第13頁,共45頁，星期六，2024年，5月影響點(diǎn)腐蝕的因素2)熱處理的影響固溶處理可以大大降低金相組織中因形變而產(chǎn)生的位錯的密度，使合金中的成分均勻化，消除偏析，修復(fù)材料表面因形變而破壞的鈍化膜，恢復(fù)和提高材料表面的再鈍化能力，使點(diǎn)蝕得到有效的抑制。3)表面質(zhì)量。第14頁,共45頁，星期六，2024年，5月影響點(diǎn)腐蝕的因素2.環(huán)境方面

1)鹵族元素。尤其是Cl-，含有氯離子的鹽溶液如海水、原油及露點(diǎn)以下的高爐氣體對波紋管易引發(fā)點(diǎn)蝕。

2)溫度影響。溫度升高，Cl-活化能顯著提高，點(diǎn)蝕坑數(shù)目急劇增多。

3)流動狀態(tài)。金屬的點(diǎn)蝕在介質(zhì)處于靜止時(shí)易發(fā)生。

4)氧含量。當(dāng)環(huán)境或介質(zhì)中缺氧時(shí)，點(diǎn)蝕發(fā)生的概率明顯降低。

5)PH值。PH值對不銹鋼點(diǎn)蝕的產(chǎn)生影響不大。第15頁,共45頁，星期六，2024年，5月應(yīng)力腐蝕(SCC)應(yīng)力腐蝕是金屬在拉應(yīng)力和特定環(huán)境共同作用下引起的脆性斷裂，英文縮寫SCC（StressCorrosionCracking）SCC是一種腐蝕速度快，且往往是在不出現(xiàn)任何預(yù)兆的情況下發(fā)生的迅速而突然的破壞斷裂。由于波紋管自身的特點(diǎn)，促使它比一般結(jié)構(gòu)件對應(yīng)力腐蝕更敏感。第16頁,共45頁，星期六，2024年，5月SCC占總腐蝕事故的％

調(diào)查范圍

材料調(diào)查年限占腐蝕事故％美國杜邦化學(xué)公司各種材料3年23日本三菱化機(jī)公司各種材料10年

45.6日本國內(nèi)綜合調(diào)查不銹鋼10年35.3日本石油化工廠各種材料10年42.2美國原子能電站各種材料10年18.7第17頁,共45頁，星期六，2024年，5月應(yīng)力腐蝕第18頁,共45頁，星期六，2024年，5月應(yīng)力腐蝕第19頁,共45頁，星期六，2024年，5月應(yīng)力腐蝕外觀形貌應(yīng)力腐蝕破裂時(shí),肉眼難見腐蝕產(chǎn)物，表面光亮如新第20頁,共45頁，星期六，2024年，5月應(yīng)力腐蝕外觀形貌

波殼內(nèi)表面應(yīng)力腐蝕裂紋第21頁,共45頁，星期六，2024年，5月應(yīng)力腐蝕斷裂特征

裂紋縱深比其寬度要大幾個量級，呈樹枝狀第22頁,共45頁，星期六，2024年，5月斷口形貌

晶間斷裂呈冰糖塊狀第23頁,共45頁，星期六，2024年，5月引發(fā)應(yīng)力腐蝕的三大因素1)敏感材料。合金比純金屬更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。2)特定腐蝕介質(zhì)。對于某種合金，能發(fā)生應(yīng)力腐蝕與其特定的腐蝕介質(zhì)有關(guān)。而且介質(zhì)濃度一般很低。3)拉伸應(yīng)力。來源：殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力。第24頁,共45頁，星期六，2024年，5月波紋管應(yīng)力腐蝕的自身因素1.波殼冷擠壓成形的影響1)形變促進(jìn)位錯增殖2)形變誘發(fā)形變馬氏體3)

形變導(dǎo)致表面鈍化膜的破裂4)形變促進(jìn)“機(jī)械化學(xué)效應(yīng)”

2.波殼上的拉應(yīng)力影響

1)殘余應(yīng)力

2)工作應(yīng)力3.不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第25頁,共45頁，星期六，2024年，5月波殼冷擠壓成形的影響

形變促進(jìn)位錯增殖波紋管成形工藝。均屬于冷擠壓，在波峰和波谷處產(chǎn)生了塑性形變。塑性變形的機(jī)制。主要是位錯的滑移，形變促進(jìn)晶體中位錯增殖。位錯對材料的腐蝕性能影響極大，在位錯露頭處，原子的活化能較高，裂紋最初易在此處形核并擴(kuò)展。第26頁,共45頁，星期六，2024年，5月

裂紋起裂部位可見到位錯腐蝕的痕跡波殼冷擠壓成形的影響

形變促進(jìn)位錯增殖第27頁,共45頁，星期六，2024年，5月波殼冷擠壓成形的影響

形變誘發(fā)形變馬氏體

形變馬氏體的產(chǎn)生，其轉(zhuǎn)變量隨著奧氏體形變量的增加而增加,由于馬氏體的腐蝕電位比奧氏體低，故在腐蝕環(huán)境中會優(yōu)先溶解。第28頁,共45頁，星期六，2024年，5月不同加工工藝對形變馬氏體的影響波峰加工方式液壓脹壓滾壓馬氏體含量(波峰處)2.33.25.1測點(diǎn)位置號第29頁,共45頁，星期六，2024年，5月波殼冷擠壓成形的影響

形變導(dǎo)致表面鈍化膜的破裂

波紋管在擠壓成形過程中，從波谷到波峰形變不斷增大，變形量最大達(dá)40％。材料的塑性形變導(dǎo)致不銹鋼表面鈍化膜破裂，降低了合金元素的腐蝕電位，增加了陽極電流密度尤其是波峰處材料的應(yīng)變速率遠(yuǎn)大于波谷，這也是為什么應(yīng)力腐蝕的發(fā)生在波峰先于波谷的原因。第30頁,共45頁，星期六，2024年，5月波殼上的拉應(yīng)力1)波殼上的殘余應(yīng)力：成形殘余應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力等。2)波殼上的工作應(yīng)力：主要包括介質(zhì)壓力（內(nèi)壓或外壓）和位移載荷在波紋管中產(chǎn)生的應(yīng)力。第31頁,共45頁，星期六，2024年，5月應(yīng)力腐蝕過程和拉應(yīng)力作用

應(yīng)力腐蝕過程一般可分為三個階段:

第一階段為裂紋孕育期。因腐蝕過程的局部化和拉應(yīng)力作用的結(jié)果,使裂紋孕育成核,形成微小凹坑，這一階段約占總斷裂時(shí)間的90％。

第二階段為裂紋擴(kuò)展期。該期是初始裂紋在腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下擴(kuò)展,直至發(fā)展到臨界尺寸所經(jīng)歷的時(shí)間。

第三階段為失穩(wěn)斷裂期。由于拉應(yīng)力的局部集中,裂紋隨應(yīng)力增大而迅速擴(kuò)展,在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂破壞。第32頁,共45頁，星期六，2024年，5月結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不盡合理

直管外壓旁通平衡型膨脹節(jié)先后失效漏水。工作波紋管與介質(zhì)接觸的表面層有嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕及腐蝕后開裂現(xiàn)象，同時(shí)與空氣接觸的表面層已經(jīng)發(fā)生平面失穩(wěn)而開裂。平衡波紋管與介質(zhì)接觸的表面層雖然有輕微腐蝕，但是整體情況基本完好。

這種波紋管的設(shè)計(jì)缺陷在于工作波紋管的盲端造成了死角，致使腐蝕介質(zhì)富集，第33頁,共45頁，星期六，2024年，5月直管外壓旁通平衡型膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖

工作波紋管的盲端造成了死角第34頁,共45頁，星期六，2024年，5月第35頁,共45頁，星期六，2024年，5月防止或減輕應(yīng)力腐蝕的措施1)合理選材2)固溶處理3)控制應(yīng)力4)改變環(huán)境第36頁,共45頁，星期六，2024年，5月關(guān)于晶間腐蝕

晶間腐蝕是金屬在持定的腐蝕介質(zhì)中沿著金屬晶界發(fā)生的一種局部腐蝕。晶間腐蝕機(jī)理：貧Cr理論當(dāng)奧氏體不銹鋼在敏化溫度范圍內(nèi)加熱，奧氏體中過飽和的C就會迅速地向晶界擴(kuò)散與鉻結(jié)合形成CrC

，Cr的含量明顯下降，出現(xiàn)貧鉻區(qū)，這樣，就形成了處于活化態(tài)的晶界貧鉻區(qū)與處于鈍態(tài)的未貧鉻的晶粒區(qū)域，建立起一個有很大電位差的活化鈍化電池，從而使貧Cr的晶界區(qū)域受到侵蝕，發(fā)生晶界腐蝕。第37頁,共45頁，星期六，2024年，5月關(guān)于晶間腐蝕合金成份的影響：1)C：奧氏體不銹鋼中含C量愈高晶間腐蝕的傾向愈嚴(yán)重。2)Cr：能提高不銹鋼耐晶間腐蝕的穩(wěn)定性。

3)Ti：生成穩(wěn)定的TiC化合物，減少C的析出，防止了Cr的貧化。防止晶間腐蝕的措施：選用超低碳不銹鋼、固溶處理。第38頁,共45頁，星期六，2024年，5月關(guān)于幾種耐蝕合金合金NiCrFeMo

CCuN性能60072.015.58.0-----抗SCC，耐高溫。62560.022.04.09.0抗點(diǎn)蝕，SCC，縫隙腐蝕80035.023.0余------≤0.10.75-----抗SCC，耐高溫。82540.021.032.03.0抗SCC，晶間腐蝕和一定水平的抗點(diǎn)蝕。哈氏27658.015.56.016.0耐濕氯等苛刻腐蝕環(huán)境254SMo18206.0≤0.020.80.2抗點(diǎn)蝕，SCC第39頁,共45頁，星期六，2024年，5月波紋管加速應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)102小時(shí)20分第一波波峰處裂紋開始擴(kuò)散，出現(xiàn)細(xì)微的周向裂紋；118小時(shí)第一波波峰裂紋貫穿。

第40頁,共45頁，星期六，2024年，5月波紋管加速應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)113小時(shí)15分第四波波峰溶液與空氣交界處出現(xiàn)細(xì)的周向裂紋136小時(shí)10分第四波的裂紋貫穿。第41頁,共45頁，星期六，2024年，5月波紋管加速應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)5小時(shí)第二波與的第三波出現(xiàn)周向裂紋；