一敲即碎的晶间腐蚀：概念、对压力容器的危害、案例

2021-08-18 11:32:37 作者：工业小南点来源：工业小南点分享至：

晶间腐蚀

自奥氏体不锈钢进入工业应用以来，便发现这种钢材焊接后，离焊缝不远处有严重的腐蚀现象，20世纪30年代初Bain等人用贫Cr理论满意地解释了这种晶间腐蚀。随着尿素等化工工业的发展，又发现了不锈钢的非敏化晶间腐蚀现象。据粗略统计，晶间腐蚀造成的腐蚀损失约占主要腐蚀类型中总腐蚀损失的10%。晶间腐蚀易发生在不锈钢﹑镍合金、铝合金、黄铜、镁合金等易钝化合金上，在受热情况下使用或焊接过程都会造成晶间腐蚀的问题。在碳钢和低合金钢上也可以发生，但一般因其晶界腐蚀速率和晶粒的腐蚀速率差别不如不锈钢等合金的大，所以，晶间腐蚀现象不明显，危害也小。不锈钢焊缝的晶间腐蚀是化学、炼油、核工业的一个重大问题。

4.2.1晶间腐蚀定义

晶间腐蚀是金属材料在腐蚀介质中，沿着或紧挨着晶粒边界发生的腐蚀。主要由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在，腐蚀宽度仅500nm以下，在如此狭窄的部位向纵深腐蚀。

常用金属材料，特别是结构材料为多晶结构，因此，存在着晶界。晶间腐蚀所指的晶间并非严格限定在晶界这个过渡层范围内，而是出现在包括晶界在内的，一个与晶粒尺寸相比，相对很小的区域内，如图4-22虚线所示的宽度区，其中的实线表示晶界。由图中还可看出，多晶金属材料在使用环境中，如果晶间区的腐蚀速度远远大于晶粒的腐蚀速度便可出现晶间腐蚀的结果。如果晶粒腐蚀速度可忽略不计，则是单纯的晶间腐蚀；如果晶间腐蚀速率虽远大于晶粒，但晶粒也具有相当的不可忽略的腐蚀速度，则属伴有全面腐蚀的晶间腐蚀，即非单纯晶间腐蚀。

图4-22 晶界晶间区及晶间腐蚀概念示意图

4.2.2 晶间腐蚀对压力容器的危害

晶间腐蚀是很严重的破坏现象，是一种危害性很大的局部腐蚀，因为，晶间腐蚀是沿着材料晶粒间界发生的，腐蚀发生后金属和合金的表面仍保持一定的金属光泽，看不出被破坏的迹象，但晶粒间结合力已显著减弱，力学性能恶化，轻轻敲击即可破碎（裂），经常导致设备的突然破坏。在应力和介质的共同作用下，以晶间腐蚀为起源，可诱发晶间SCC，所以晶间腐蚀有时是SCC的先导。

不锈钢的晶间腐蚀问题，在20世纪50～60年代曾经是最严重的腐蚀现象。经过几十年的研究，对于晶间腐蚀的机理、影响因素和控制都有了比较深入的了解，不锈钢晶间腐蚀问题相对于其它类型的局部腐蚀得到了很大的缓解。但是，对于一些新的合金、新的运用场合晶间腐蚀问题还是陆续的出现。

蒸汽发生器（SG）是压水堆核电站（PWR）的重要设备之一，传热管是一、二回路之间的热交换界面，属于一回路的压力边界，其完整性直接影响到核电站的运行安全。从近年统计的结果来看，从不锈钢传热管到镍基合金，与晶界有关的SCC和晶间腐蚀是蒸汽发生器传热管道破坏泄漏的主要原因[1]。又如核反应堆乏燃料的处理设备大部分是不锈钢制造，长期在高温高压高浓度的HNO3溶液的工况下运行会产生晶间腐蚀问题，所以在HNO3中奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题仍然突出；另外，不锈钢的堆焊层的晶间腐蚀问题对于核反应堆外壳压力容器内壁堆焊层和尿素高压设备上下封头堆焊层依然是不可掉以轻心的。

石油化工的转化炉炉管和乙烯裂解炉高温炉管在运行中的氧化、硫化和渗碳现象也都是晶间腐蚀的过程。对炉管的腐蚀控制，直接关系到炉管的使用寿命。

4.2.3 晶间腐蚀形貌

一般来说，在特定的使用介质中，具有晶间腐蚀倾向的材料，如果晶粒表面能呈现钝态，则属图4-23 a的类型。如果晶粒表面不能呈现钝态，则会呈现图4- 23b所示的结果。就单纯的晶间腐蚀而言，也可分两种形式，见图4-24，一种形式是在三维空间中呈现完全连贯的形式，见图4-24a；另一种形式是呈现非整体完全连贯的格网式，见图4-24 b。可以说图4-23 b型为腐蚀过程的中间态，随着腐蚀时间的延长，总会进入图4-24a所示的最终态。压力容器受压部件的腐蚀若达到4-24a的状态，就已经失效破坏，图4-24b所示的情况只能发生在非承压原件，如塔器上的隔板、分布板和泡罩等。

图4-23 单纯与非单纯晶间腐蚀概念示意图

图4-24 单纯的晶间腐蚀的两种型式

某化肥厂气化炉烧嘴水冷管，材质Inconel600，它的作用是管内走水降低烧嘴表面温度。烧嘴外表面接触直接受1350℃的高温气体，介质主要成分体积比为 H2 61～62%、CO ～32%、CO2 5.8～6%、水蒸气＜2%；管内为30℃的冷却水。使用几个月后，晶内和晶界出现析出物，管外壁表面存在高温氧化腐蚀，在管母材、焊缝表面和裂纹的内部，沿晶界的氧化特征表明合金遭受到过热，图4-25。