奧氏體不銹鋼材料在換熱設備中的應用

摘要：不銹鋼材料具有良好性能，被廣泛應用于換熱給水壓力設備中。在實際應用過程中，由于一些用戶不了解奧氏體不銹鋼材料的限制條件，導致設備投入使用后出現了嚴重腐蝕，甚至會導致設備報廢，造成比較大的經濟損失。文章以波紋管換熱器為例，對奧氏體不銹鋼材料的腐蝕開裂的原因進行分析，然后對奧氏體不銹鋼材料的應用建議進行探討。

關鍵詞：奧氏體；不銹鋼材料；換熱設備；材料腐蝕；氯化物應力腐蝕 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ051 文章編號：1009-2374（2017）11-0072-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.037

1 概述

不銹鋼波紋管換熱器是一種新型的換熱設備，相較于傳統的換熱設備具有設備重量輕、傳熱系數高、不易結垢等優點，在供水、供熱等場所得到廣泛應用。另外，在石油煉制行業、制藥行業、化工行業也都得到了廣泛的應用。在使用過程中，由于上述行業涉及到的介質具有腐蝕性，再加上不銹鋼波紋管換熱器使用變截面薄壁換熱元件，因此要對其防護性和腐蝕性進行分析，降低不必要的損失。

2 氯化物應力腐蝕開裂的主要問題及因素

2.1 氯化物應力腐蝕開裂的主要問題

304和316不銹鋼均在耐腐蝕性能、強度和耐沖刷能力方面表現較強，同時具有良好的可加工性能，加之價格便宜，所以波節管換熱器通常都會采用這兩種不銹鋼作為制作材料，然而這種不銹鋼材料的最顯著問題是承受應力腐蝕開裂的性能較差。所謂應力腐蝕開裂實際是指材料在腐蝕與應拉力的同時作用下而形成的破裂現象，這也屬于這種腐蝕與均勻腐蝕、點腐蝕等的不同之處。疲勞腐蝕雖然也是應力和腐蝕介質共同作用下的一種腐蝕，但其屬于交變應力，而不屬于拉應力，所以其與應力腐蝕開裂是不相同的，通常情況下，人們將氫脆與堿裂也劃歸到應力腐蝕開裂的范疇。在城鎮集中供熱系統中，由于其中不涉及高濃度硫化物和苛性堿溶液，因此不容易產生氫脆與堿裂，這種應力腐蝕開裂主要是由水中的氯化物促成的，由此可見，氯離子容易引起奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂問題。

2.2 造成氯化物應力腐蝕開裂的主要因素

影響氯化物應力腐蝕開裂的主要因素是拉應力、水中氯離子含量、水中溶解氧的含量和水溫四種。

拉應力屬于腐蝕開裂發生的必要條件，裂口和拉應力呈垂直方向，而壓應力與開裂是無關的。拉應力表現為單獨的殘余應力和外加應力形式或者以兩者兼容的形式出現。由于波節管成形的殘余應力非常大，在受熱膨脹的情況下，波節管具有一定的補償能力，所以其應力值較小。通過應力測試數據能夠證明，水中氯化物和溶解氧的含量越高，而氯化物應力腐蝕的承受能力會越低，但在溫度上則存在一個極值，當溫度低于這一極值時，則應力腐蝕會隨溫度的上升而不斷加劇；當溫度高于這一極值時，則應力腐蝕會隨著溫度的上升逐漸

減弱。

應力腐蝕開裂的傾向預測具有非常大的困難。由于應力腐蝕開裂與應力、介質的種類和成分等較多的因素有關，加之模擬真實工況的難度很大，因此應力很難實現準確測定，通常應力腐蝕開裂被分為兩個過程，即裂縫的萌生與擴展。客觀的講，腐蝕過程主要發生在裂縫中，裂縫內部的氯離子濃度要比裂縫外濃度高出將近10倍。在測試的過程中，因縫隙內無法進行測試，所以只能在縫隙外進行測定；若按照實際工況，則因出現破裂需要很長的時間，而難以獲得較為系統的數據，所以在氯化物應力腐蝕開裂試驗中，通常均將試件置于溫度和濃度都很高的氯化物溶液中來對其破裂情況進行觀察。

3 不銹鋼材料在應用中的實驗數據

3.1 在沸騰氯化鎂溶液中獲得的試驗數據

通過向試件施加外力將其變成U型，試件由此就具有一定的內應力，該方法被稱為變形加載法。在不同濃度的沸騰氯化鎂溶液中觀察試件的破裂時間，能夠獲得在不同濃度與溫度條件下試件的準確破裂時間，實驗表明：當304不銹鋼大約在108.5℃、316不銹鋼在131.5℃時，溶液濃度無論多高，都不會發生氯化物應力腐蝕開裂現象。而另一組研究者則在相同條件下對試件的斷裂時間進行了觀察，濃度關系如圖1所示，研究者認為，如果可以在沸騰的氯化鎂溶液中100h仍不破裂，那么就說明這種合金材料適合在這種條件下使用。從圖1可以發現，316不銹鋼的抗應力腐蝕開裂能力明顯優于304不銹鋼，如表1所示。

3.2 在高溫水中實驗獲得的部分數據

在溫度相同情況下，溶液的氯濃度與斷裂時間的關系。其中表明，當溫度在225℃、外加應力在1.75MPa的情況下，裂縫的孕育期、擴展期和斷裂的具體時間，同時表明，當溶液濃度≤50ppm時，裂縫的孕育期非常長，甚至不易產生，當溶液濃度≥100ppm時，隨著溶液濃度的增加，裂縫的孕育期時間會逐漸變短，而裂縫的擴展期會逐漸變長，裂縫的產生幾率增強。

304不銹鋼在溶液含氧濃度為0.1mg/L、氯化鎂濃度為33%的情況下，溫度和斷裂時間之間的關系：若溫度是100℃的情況下，則斷裂時間需要1000h。圖2表示304不銹鋼若置放在氯濃度為600ppm的溶液中，且溫度在150℃的情況下，斷裂時間將會達到5000h。

圖3展示了溶液溫度與氯濃度對304不銹鋼應力腐蝕開裂敏感性的影響程度試驗結果：在溫度處于200℃～300℃時，沒有立即出現應力腐蝕開裂現象；在溫度為150℃、氯的濃度為500ppm的情況下，經過了168h沒有出現裂縫，由此可見，在高溫水中，氯濃度≤50ppm時很難產生裂縫，有時氯濃度甚至達到600ppm也不易產生應力腐蝕開裂。通過認真分析發現，微量氧屬于開裂產生的必要條件，若將水中的氧全部清除，則即使氯濃度很高，也不會出現應力腐蝕開裂現象。

4 對304和316不銹鋼的應用范圍建議

現階段，我國在奧氏體不銹鋼防范氯化物應力腐蝕開裂方面還沒有制定較為明確的氯含量標準，因此，在城鎮集中供熱中的供熱波節管換熱器上，建議參照丹麥在該方面的有關規定，但不能完全照搬，而是要根據我國的實際，對氯含量的限制適當進行放寬，否則在水處理設備費用和運行費用方面將會非常高，鑒于此，建議將生水氯含量低于50ppm作為一個檔次，具體如下：

第一，在水處理條件非常好的情況下，對水全部進行除氧，即氧含量必須小于0.1mg/L，且全部使用304不銹鋼材料。

第二，在對水進行軟化的同時，一次完成除氧，且生成水的氯含量小于50mg/L。在水溫小于130℃的情況下，建議采用304不銹鋼；當水溫大于130℃的情況下，則建議運用316不銹鋼。

第三，在水處理條件較差的情況下，當直供水溫≤95℃時應選擇304不銹鋼；水溫在100℃～130℃時應選用316不銹鋼；當水溫≥130℃時應尋找在抗氯化物應力腐蝕開裂性能方面質量更好的不銹鋼新型材料。選擇過程中需要從該材料的抗氯化物開裂的性能、加工性能和經濟性等方面綜合考慮。

第四，當蒸汽鍋爐的蒸發量大于6t/h的時候，必須對水進行全部除氧。由于低壓蒸汽通常不溶解鹽類，所以當汽源溫度過高時，可認為其中不含有氯化物。當汽源屬于飽和蒸汽時，其中氯化物的雜質攜帶量通常與鍋水質量和蒸汽濕度具有直接的關系，若鍋爐汽水的分離裝置良好，則鍋爐就不易產生汽水共騰和嚴重的漏水現象，鍋爐只要不在嚴重超負荷狀態下運行，則蒸汽的濕度一般會保持在3%以下，而飽和蒸汽中所攜帶的氯化物也應該很少，所以鍋爐汽水裝置的良好運行，是防止氯化物應力腐蝕開裂問題的最有效保障。

第五，低碳不銹鋼304L和316L通常只在焊接管中或者用戶指定要求的情況下使用，為了有效節省成本，通常不使用低碳不銹鋼材料。

第六，電化學保護應力腐蝕會與材料、環境的電化學反應具有非常密切的關系，因此在利用電化學方法的過程中，可通過以下兩種形式來防止應力腐蝕破裂現象的發生：通過給定電位來使處于運動狀態的游離電位從應力腐蝕敏感區離開；通過加入一定量的緩沖劑來使開路電位轉移到應力腐蝕的不敏感區域。

5 結語

綜上所述，奧氏體是否容易出現腐蝕開裂主要和熱網和鍋爐水處理裝備及運行水平相關，當前有很多鍋爐都沒有設置除氧設備，一些設備雖然設置了除氧設備，但是由于運行不正常，會出現汽水分離器蒸汽短路，無法發揮分離作用，在允許過程中會出現漏水或汽水共騰事故，由于熱網除污器失效或者失水率過高等情況的存在，很容易導致不銹鋼材料腐蝕開裂，所以提升熱網和鍋爐的運行水平至關重要，本文重點對奧氏體不銹鋼材料在防止氯化物應力腐蝕開裂的問題進行了探討，在預防氯化物腐蝕方面具有一定的借鑒參考價值。

參考文獻

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作者簡介：劉德府（1964-），男，江蘇徐州人，江蘇中能硅業科技發展有限公司工程師，研究方向：化工設備。

（責任編輯：蔣建華）