在役不銹鋼復合鋼板晶間腐蝕失效分析

董偉雄* 李涌泉

（1.紹興市特種設備檢測院 2.中國特種設備檢測研究院）

不銹鋼復合鋼板是普通鋼板通過爆炸、軋制、堆焊等工藝，將不銹鋼與普通鋼板復合而成的鋼板，其同時具有2 種不同鋼種的特性，既具有不銹鋼的耐蝕性，又具有普通鋼價格低廉、剛度好等優點，在醫藥、石油、化工壓力容器中被大量使用。不銹鋼復合鋼板是一種特殊的鋼板，其焊后熱處理有一定復雜性，我國相關標準對不銹鋼復合鋼板熱處理并沒有明確規定，只能根據使用條件來選擇合適的熱處理方式[1]。在實際檢驗過程中，焊后熱處理不當會導致不銹鋼覆層失去耐蝕性，復合鋼板缺陷檢出率很高。因此，有必要對典型案例進行分析研究，為復合鋼板壓力容器的設計、制造、選用、檢驗提供參考。

1 典型案例

對某化肥廠壓力容器進行首次檢驗時，幾臺不銹鋼復合鋼板壓力容器被檢測出不銹鋼覆層具有大量表面裂紋。以循環氣分離器為例進行分析，現場表面滲透檢測得到的裂紋形狀如圖1 所示，裂紋位于不銹鋼覆層，筒體產生了網狀裂紋，人孔位置產生了垂直于焊縫的橫向裂紋。該設備的投用日期為2016 年9 月，運行狀態為長期使用，期間未有修理、改造記錄。

圖1 循環氣分離器裂紋

循環氣分離器主要技術參數如下：設計壓力為5.7 MPa，操作壓力為4.65 MPa,設計溫度為70 ℃，操作溫度為40 ℃，反應器直徑為1 800 mm，簡體基層厚度為34 mm，復層厚度為3 mm，工作介質為循環氣/甲醇液，筒體基層材料為Q345R，復層材料為OCr18Ni9，供貨狀態為熱軋，其不銹鋼層化學成分和力學性能如表1 所示。

2 裂紋成因分析

2.1 晶間腐蝕機理

目前敏化態奧氏體不銹鋼晶間腐蝕主要通過貧鉻理論來解釋，奧氏體不銹鋼熱處理溫度處于敏化溫度區間（一般為450 ～850 ℃）時，過飽和的碳從奧氏體不銹鋼中析出，并與晶界的鉻結合成Cr23C6, 并沉淀在晶界。使晶界附近含鉻量明顯下降，形成“貧鉻區”。 鉻能提高不銹鋼的耐腐蝕性，當晶界形成貧鉻區后，在腐蝕介質作用下，晶界首先被腐蝕，形成晶間腐蝕[2]。

2.2 晶相組織分析

對循環氣分離器橫向裂紋及網狀裂紋位置進行金相檢測，可以看到橫向裂紋及網狀裂紋為典型沿晶裂紋，并有大量晶粒剝落現象，如圖2 所示。

圖2 裂紋處金相組織

2.3 介質成分分析

循環氣分離器工作介質為循環氣/甲醇液，循環氣主要成分為35% H2，20% CO2，40% CO，5% SO2，由于甲醇液中帶有少量水，而循環氣中的SO2等介質可溶于水中，產生腐蝕性，而亞硫酸是易導致Cr-Ni奧氏體不銹鋼產生晶間腐蝕的敏感介質。

2.4 熱處理分析

循環氣分離器在制造廠進行了消應力熱處理，熱處理記錄可見表2，對于 18-8 型不銹鋼而言，含碳量一定且加熱條件（溫度和時間）處在曲線包圍的影線區（如圖3 所示）時，鋼便具有晶間腐蝕傾向[3]；而根據熱處理記錄，循環氣分離器的不銹鋼復合鋼板熱處理條件正處于曲線包圍的影線區，因此不銹鋼覆層易產生晶間腐蝕。

表1 循環氣分離器化學成分和力學性能

表2 循環氣分離器熱處理試驗報告

圖3 18-8 鋼的晶間腐蝕敏感溫度-時間曲線

2.5 綜合分析

循環氣分離器筒體及封頭的不銹鋼覆層含碳量分別為0.056 5%， 0.053 8%，而奧氏體不銹鋼中含碳量超過0.03%時，碳在鋼中便處于過飽和狀態。根據現場檢驗情況進行分析，該設備復合板在550 ℃左右進行了消應力處理，導致奧氏體不銹鋼敏化；對介質成分進行化學分析后可知介質具有腐蝕性；對金相組織進行觀察后可知，晶體周圍腐蝕嚴重，因此該裂紋為典型的晶間腐蝕開裂。

3 解決措施

國內復合鋼板供貨標準并未明確規定熱處理制度，并過分強調基層材料熱處理狀態，而忽略了覆材受到的影響。該設備基層鋼板的最佳消應溫度為550 ℃左右，但該溫度處于覆材的腐蝕敏感區[4]。因此，既要保證基層的機械性能，又要保證覆層的耐腐蝕性能，同時還要考慮經濟性，因此通過試驗驗證來選擇最合適的推薦材料十分有必要。

3.1 奧氏體不銹鋼晶間腐蝕影響因素分析

奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的影響因素比較復雜，根據晶間腐蝕機理，主要影響因素包括C 和Cr 含量、穩定性元素、加熱溫度等，根據實際情況，選用代表性的因素進行分析，然后選用合適的材料。

3.1.1 C含量

C 是不銹鋼敏化的關鍵元素, 其含量對晶間腐蝕有重大影響。含C 量為0.03%以上時，不銹鋼處于過飽和狀態，C 含量越大,碳原子析出的速率越快，在晶界生成碳化鉻數量也越多，導致腐蝕速率加快，材料產生晶間腐蝕的傾向增大。因此，選用超低碳不銹鋼00Cr19Ni10 試樣（C 質量分數小于0.03%）進行實驗。

3.1.2 穩定性元素

Ti 等元素與C 的結合能力比Cr 強，結合后能夠生成穩定的碳化物，可以避免在奧氏體中形成貧Cr區，這些元素稱為穩定劑。

3.1.3 加熱溫度

當加熱溫度小于450 ℃或大于850 ℃時，18-8奧氏體不銹鋼不會產生晶間腐蝕。因為當溫度小于450 ℃ 時，鋼中不會產生Cr23C6，當溫度大于850 ℃ 時，由于擴散能力增強，Cr 元素擴散至晶界與C 結合，因此不會在晶界形成貧Cr 區[5]。

3.2 試驗與討論

3.2.1 試驗方法

試樣為0Cr18Ni9 鋼試樣， 超低碳不銹鋼00Cr19Ni10 試樣以及含穩定化元素 0Cr18Ni10Ti 試樣。試樣應根據循環氣分離器熱處理工藝要求（如表2 所示），進行敏化處理。試驗方法應選用GB/T 4334—2008 《金屬與合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的A 方法。

3.2.2 結果與討論

三個試樣經過腐蝕試驗后，金相檢測得到的表面腐蝕形貌照片可見圖4 ～圖6。從照片可以看出0Cr18Ni9 晶間腐蝕嚴重，而低碳奧氏體不銹鋼00Cr19Ni10 和添加了穩定性元素不銹鋼0Cr18Ni10Ti在同樣的試驗條件下，晶間腐蝕相對不嚴重。

圖4 0Cr18Ni9金相組織

圖5 00Cr19Ni10金相組織

圖6 0Cr18Ni10Ti金相組織

4 結論

不銹鋼復合鋼板的覆層應具有較好的耐蝕性，低成本的基層應能滿足設備的強度要求。根據設備的使用要求來決定不銹鋼板是否進行熱處理，有晶間腐蝕傾向的設備在設計時需充分考慮介質的特性。對于奧氏體不銹鋼復合鋼板,一般應避免在其敏化溫度區間內進行熱加工或熱處理,不能避開時應該盡量選用超低碳材料或添加穩定性元素。本次研究的設備材料在覆層敏化區間內進行了熱處理，因此鋼板產生了晶間腐蝕，導致覆層開裂。通過試驗論證，該設備應選用抗晶間腐蝕性能更好的00Cr19Ni10，0Cr18Ni9Ti等材料，或者熱處理溫度避開奧氏體不銹鋼的敏化溫度區間。