不銹鋼螺栓的腐蝕及防護

姚 強，朱忠華

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

不銹鋼螺栓的腐蝕及防護

姚 強，朱忠華

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

不銹鋼螺栓失效斷裂的事故在各石化企業時有發生，不銹鋼螺栓的使用安全是石化企業設備安全管理的主要內容。通過對不銹鋼螺栓的使用條件、常見失效形態分析，認為不銹鋼螺產生裂紋、斷裂現象主要是含Cl－大氣腐蝕引起的(Cl－質量分數高于0.1%時，易產生縫隙腐蝕)，在含Cl－水(汽)溶液中不銹鋼螺栓會產生縫隙腐蝕和晶間腐蝕。文章論述了晶界腐蝕、縫隙腐蝕的產生原因，以及避免不銹鋼螺栓腐蝕的應對措施:(1)選用合格的不銹鋼螺栓;(2)把不銹鋼螺栓與含Cl－大氣(水溶液)作有效的隔離;(3)采用含高鉻、高鉬的不銹鋼材料，特別是在低溫罐區、球罐區、應力腐蝕嚴重區采用在Cl－環境中耐蝕性好的316L(00Cr17Ni14Mo2)鋼，效果會更好。

不銹鋼 螺栓 腐蝕 措施

從螺栓的使用溫度范圍來說，不銹鋼螺栓相比碳鋼螺栓、合金鋼螺栓，無論在低溫、高溫部位，其應用范圍更為廣泛，因此在實際使用中不銹鋼螺栓也越來越被普遍使用。通常所稱的不銹鋼，一般指含Cr為12%以上在大氣條件下具有耐腐蝕性能的鐵基合金。

1 不銹鋼螺栓的選用條件

壓力容器用不銹鋼緊固件可根據GB150-2011《鋼制壓力容器》和GB151-1999《管殼式換熱器》的標準選材，其具體參數見表1。

表1 不銹鋼緊固件選用條件Table 1 Stainless steel fasteners selected

壓力管道用不銹鋼緊固件可根據《壓力管道規范》GB/T20801-2006標準選材，其中不銹鋼螺栓的最低使用溫度，見表2。

表2 不銹鋼螺栓的最低使用溫度Table 2 The minimum allowable temperature of the stainless steel bolts

2 不銹鋼螺栓失效

裂紋、開裂和斷裂是不銹鋼螺栓的常見失效形態。一般碳鋼、合金鋼螺栓是在其表面有明顯腐蝕產物及減薄的情況下失效，而不銹鋼螺栓會在其表面幾乎看不出任何變化的情況下喪失強度，造成結構或設備的嚴重破壞，其失效更具隱蔽性和危害性。

某石化企業裝置不銹鋼螺栓失效情況見表3。

表3 不銹鋼螺栓失效情況Table 3 Stainless steel bolt failures

3 不銹鋼螺栓腐蝕機理

對不銹鋼螺栓的失效和使用情況分析后認為，不銹鋼螺栓產生裂紋、斷裂現象的原因主要是含Cl－大氣腐蝕引起的。含Cl－水(汽)溶液在不銹鋼螺栓表面積聚形成腐蝕介質，產生縫隙腐蝕;不銹鋼組織晶界區存在雜質或應力，在腐蝕介質(含Cl－大氣)會產生晶間腐蝕。

3.1 縫隙腐蝕

金屬表面上由于存在異物或結構上的原因而形成縫隙，使縫隙內外溶液之間與腐蝕有關的物質遷移困難所引起的縫隙內金屬的腐蝕稱為縫隙腐蝕［1］。如螺栓連接的結合部、螺紋結合處等情況下金屬與金屬間形成的縫隙;金屬與非金屬接觸所形成的縫隙;以及沙粒、灰塵和臟物等污垢在金屬表面上所形成的縫隙等等，在一定的電解質溶液中都會引起金屬縫隙腐蝕。幾乎所有的腐蝕介質(包括淡水)都能引起金屬縫隙腐蝕，但含Cl－的溶液最容易引起該類腐蝕(Cl－質量分數高于0.1%時就有可能引起縫隙腐蝕)。縫隙的寬度一般在0.03～0.10 mm時，使縫隙內外溶液之間的物質遷移發生困難，這就是說，容易引起縫隙腐蝕。一超臨界乙烯法蘭連接螺栓由于不停地噴水捉漏在螺栓端部產生縫隙腐蝕見圖1，而其他超臨界乙烯法蘭連接螺栓則良好。

圖1 螺桿腐蝕情況Fig.1 Screw corrosion

3.2 晶間腐蝕

沿著合金的晶界區發展的腐蝕，叫做晶間腐蝕。就其電化學本質而言，可以認為是在腐蝕電位下合金晶界區與晶粒本體之間存在不等速溶解所致。只要在一定腐蝕介質中合金晶界區物質的溶解速率遠大于晶粒本體的溶解速率，就會形成晶間腐蝕。產生晶界區與晶粒本體的不等速溶解的主要原因是在適當的介質條件下，晶界區某種物質同晶粒本體之間在電化學性質上存在顯著差異造成的。晶界區與晶粒本體之間的電化學行為之所以有很大的不同，一是由合金受熱時產生組織變化引起的;二是晶界區存在雜質或產生應力所致，在適當介質條件(含Cl－大氣)下也會使其電化學行為同晶粒本體顯著不同。乙烯法蘭連接螺栓的斷裂就是不銹鋼材質不合格，在雜質、應力和含Cl－大氣的作用下引起的晶界腐蝕，見圖2。

圖2 螺桿斷裂面情況Fig.2 Screw fracture surface situation

4 不銹鋼螺栓的防腐蝕措施

(1)結構設計中避免形成縫隙，避免造成容易產生表面沉積的幾何條件;

(2)不能避免縫隙的，應該用焊接或把縫隙填實(封閉)，使水溶液不能進入;

(3)不銹鋼材料應采用含高鉻、高鉬的材料;

(4)不銹鋼螺栓與大氣或水溶液隔離［2］。

(5)采取材質升級，來防止晶界腐蝕。一般情況下可采用含高鉻、高鉬低碳和低鎳的不銹鋼材料，而在低溫罐區、球罐區、應力腐蝕嚴重區采用在Cl－環境中耐蝕性好的316L(00Cr17Ni14Mo2)，也是一個比較好的辦法。

［1］化學工業部化工機械研究院.腐蝕和防護手冊［M］.北京:化學工業出版社，1993:57-61.

［2］朱相榮，王相潤.金屬材料的海洋腐蝕與防護［M］.北京:國防工業出版社，1999:173-174.

Corrosion of stainless Steel Bolts and Protection

Yao Qiang，Zhu Zhonghua
(SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.，Shanghai 200540)

The cracking failure of stainless steel bolts and associated accidents often happen in petroleum refineries and petrochemical plants.Therefore，the safe application of stainless steel bolts is very important in the safety management of equipment of petrochemical enterprises.The analysis of service conditions and common failure forms of stainless steel bolts concludes that the cracks and failures of stainless steel bolts are caused by Cl－atmospheric corrosion.When Cl－is higher than 0.1w% ，the crevice corrosion can easily occur.The stainless steel bolts are subject to crevice corrosion and intergranular corrosion in water(steam)solutions containing Cl－.The causes of crevice corrosion and intergranular corrosion are described，and countermeasures are recommended such as:(1)selection of on－specification stainless steel bolts，(2)isolation of stainless steel bolts from atmosphere(water solution)containing Cl－，(3)application of high Cr and high Mo stainless steel and application of 316L stainless(00Cr17Ni14Mo2)steel resistant to Cl－corrosion in cryogenic tanks，spherical tanks and equipment with serious stress corrosion.Better results can be achieved.

stainless steel，bolt，corrosion，measure

TG115.57

A

1007－015X(2012)04－0054－03

2012－04－ 03;修改稿收到日期:2012－05－30。

姚強(1970－)，工程師，1991年畢業于上海石油化工專科學校化工設備和機械制造專業，現在儲運部從事設備管理工作。E-mail:13817313773@163.com。

(編輯 寇岱清)