腐蚀与损伤(锅炉、压力容器、压力管道)

腐蚀与损伤（教案）

2006年9月

主要内容

第一部分金属材料的腐蚀

一金属腐蚀及种类

二腐蚀的危害性

三全面腐蚀

四局部腐蚀

1. 点蚀

2. 缝隙腐蚀

3. 磨损腐蚀

4. 涂层破损处的局部大气锈蚀

五晶间腐蚀

六应力腐蚀开裂

1. 碱脆

2. 不锈钢的氯离子应力腐蚀破裂

3. 湿硫化氢应力腐蚀破裂（SSCC）

4. 其它常见应力腐蚀破裂体系

七腐蚀疲劳

八氢损伤

1. 氢鼓包

2. 氢脆

3. 脱碳

4. 氢腐蚀

九腐蚀防护

第二部分金属材料的损伤与失效

一、金属材料的损伤

1.疲劳损伤

2.介质损伤

3.热损伤

4.交互损伤

二、失效与失效分析

1.失效的概念

2.失效分析的意义

3.失效分析的基本思路

4.破坏种类及特征

5.韧性破坏

6.脆性破坏

7.腐蚀破坏

8.疲劳破坏

9.蠕变破坏

10.复合破坏

11.失效分析的主要手段

12.断口保护

第一部分金属材料的腐蚀

操作介质或环境对锅炉压力容器压力管道的腐蚀普遍存在，对锅炉压力容器压力管道的安全运行构成威胁。因此研究腐蚀对指导锅炉压力容器压力管道的管理、检验及安全监察均具有重要意义。腐蚀检验是锅炉压力容器压力管道定期检验中的主要内容之一。本节介绍金属腐蚀的分类、几种危害较大的腐蚀形式以及腐蚀的防护或避免措施等。

一、金属腐蚀及种类

金属材料表面由于受到周围介质的作用而发生状态变化，从而使金属材料遭受破坏的现象称为腐蚀。如铁生锈、铜发绿锈、铝生白斑点等。金属的腐蚀按照机理（或原理）可分为化学腐蚀与电化学腐蚀两类。

化学腐蚀：化学腐蚀是金属表面与环境介质发生化学作用而产生的损坏，它的特点是腐蚀在金属的表面上，腐蚀过程中有电子得失但没有电流的产生。金属的高温氧化及脱碳就属于化学腐蚀，高温高压临氢环境中金属的氢腐蚀也属于化学腐蚀。

电化学腐蚀：金属与电解质溶液间产生电化学作用所发生的腐蚀称电化学腐蚀。它的特点是在腐蚀过程中有电流产生。锅炉压力容器压力管道的应力腐蚀、晶间腐蚀均属于电化学腐蚀。金属的电化学腐蚀必须存在电解质、被腐蚀区域（电位低，为阳极）与其他区域（电位高，为阴极）存在电位差。阳极金属失去电子成为金属离子，从而造成腐蚀。

其它分类方法：

按照温度分：低温腐蚀和高温腐蚀。

按照环境分：化学介质腐蚀、大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀等。

按照金属破坏的形式可分为10类，分别为全面腐蚀、电偶腐蚀、孔蚀(点蚀)、缝隙腐蚀、选择性腐蚀、晶间腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、氢损伤。这种方法比较直观，使用场合广泛。

二、腐蚀的危害性

腐蚀会使管道整体或局部壁厚减薄，承载能力下降、造成破裂。

腐蚀会造成危害性极大的裂纹，造成管道的裂穿泄漏、严重时会造成突然

破裂或爆炸。

三、全面腐蚀

全面腐蚀也叫均匀腐蚀，这是在较大面积上产生的程度基本相同的腐蚀，

如管道内壁表面遭受介质的全面腐蚀，外壁裸露表面(或有涂料但已全面失效)

遭受的大气锈蚀等。

遭受全面腐蚀的管道，壁厚逐渐减薄，最后破坏。从工程的角度看，全面

腐蚀并不是威胁很大的腐蚀形态，因为设计时可考虑足够的腐蚀裕度。但应注

意的是，在管道使用过程中，腐蚀速度往往因环境恶化(如超温、加进腐蚀性成

份等)而加剧，因此定期检验对全面腐蚀的检查是十分必要的，通过定点测厚，

掌握壁厚减薄的情况。但是定期检验工作不力、壁厚腐蚀减薄而发生事故的事

例屡见不鲜。

四、局部腐蚀（点蚀、缝隙腐蚀、磨损腐蚀）

1.点蚀

集中在金属表面个别小

位置上的深度较大的腐蚀称

为点蚀，也叫孔蚀。

大多数情况下，蚀孔是

比较小的。蚀孔之间有时互相

孤立，有时十分靠近，密集在

一起。蚀孔直径等于或小于深

度，蚀孔形态见图1。

点蚀是最具有破坏性的图1 点腐蚀坑的各种剖面形状（取自ASTM G46—76）

和隐藏的腐蚀形态之一。它常常使得设备在重量损失还很小的情况下就穿孔而产生泄漏。

奥氏体不锈钢设备在含氯离子或溴离子的介质作用下最容易产生点蚀。不锈钢外壁如果常被海水或天然水润湿，也会产生点蚀，这是因为海水或天然水中含有一定的氯离子。

2.缝隙腐蚀

当管道介质为电解质溶液时，在与介质接触的缝隙处，如法兰垫片处、单面焊未焊透处等，均会产生缝隙腐蚀，见图2。

图2 单面焊未焊透引起的缝隙腐蚀

产生缝隙腐蚀的缝隙宽度，必须能使介质进入缝隙而又使这些介质处于滞留状态，因此腐蚀常常发生在缝隙口宽度在0.2mm或更小的场合。纤维类的垫片、盘根等，能使电解质溶液在靠近金属表面处完全滞留，因此容易产生严重缝隙腐蚀。

一些钝性金属如不锈钢、铝、钛等，容易产生缝隙腐蚀。缝隙腐蚀在许多介质中发生，但以含氯化物的溶液中最严重。

缝隙腐蚀的机理，一般认为是浓差腐蚀电池的原理，即缝隙内和周围溶液之间氧浓度或金属离子浓度存在差异造成的。

3.磨损腐蚀

磨损腐蚀也称为冲刷腐蚀。介质流向突然发生改变，对金属及金属表面的钝化膜或腐蚀产物层产生机械冲刷破坏作用，同时又对不断露出的金属新鲜表面发生激烈的电化学腐蚀，从而造成比其他部位更为严重的腐蚀损伤。这种损伤是金属以其离子或腐蚀产物从金属表面脱离，而不是像纯粹的机械磨损那样以固体金属粉末脱落。

如果流体中夹有汽泡或固体悬浮物时，则最易发生磨损腐蚀。

不锈钢的钝化膜耐磨损腐蚀性能较差，钛则较好。

4.涂层破损处的局部大气锈蚀

对于化工厂的碳钢设备，这种腐蚀有时会很严重，因为化工厂区的大气中常常含有酸性气体，比自然大气的腐蚀性强得多。

五、晶间腐蚀

晶间腐蚀是腐蚀局限在晶界和晶界附近，而晶粒本身腐蚀比较小的一种腐蚀形态。晶间腐蚀是由晶界的杂质，或晶界区某一合金元素增多或减少而引起的。

晶间腐蚀造成晶粒脱落，使机械强度和延伸率显著下降，但仍保持原有的金屑光泽，不易发现，常造成设备突然破坏，危害很大。最易产生晶间腐蚀的是铬镍奥氏体不锈钢。关于铬镍奥氏体不锈钢晶间腐蚀的原因，已被公认的是贫铬理论。奥氏体不锈钢中碳与Cr及Fe能生成复杂的碳化物(Cr、Fe)23C6，在高温下固溶于奥氏体中。若将钢由高温缓慢冷却或在敏化温度范围(450~850℃)内保温时，奥氏体中过饱和的碳将和Fe、Cr，化合成(Cr、Fe)23C6，沿晶界沉淀析出。由于铬的扩散速度比较慢，这样生成(Cr、Fe)23C6所需要的Cr必然要从晶界附近摄取，从而造成晶界附近区域铬含量降低，即所谓贫铬。如果铬含量降到12％(钝化所需极限)以下，则贫铬区处于活化状态，它和晶粒之间构成原电池。晶界区是阳极，面积小；晶粒是阴极，面积大，从而造成晶界附近贫铬区的严重腐蚀。图3是晶界贫铬区腐蚀的示意图。

当奥氏体不锈钢被加热到450～850℃的敏化温度范围时，则晶间腐蚀特别