核級(jí)奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管晶間腐蝕研究

 奧氏體不銹鋼因其具有良好的加工性能和優(yōu)異的耐蝕性能而廣泛應(yīng)用于核電廠中的各種部件，包括核級(jí)重要部件，這些核級(jí)部件在服役過(guò)程中需要耐高溫、耐腐蝕，因此在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中都有嚴(yán)格的要求。奧氏體不銹鋼材料在使用過(guò)程中發(fā)生晶間腐蝕失效的最主要原因是碳和鉻形成碳化物并沿晶界析出，從而導(dǎo)致晶界附近區(qū)域貧鉻，并使得不銹鋼發(fā)生敏化。由于晶界附近鉻含量降低，導(dǎo)致在苛刻的腐蝕環(huán)境下，腐蝕優(yōu)先從晶界開(kāi)始，從而導(dǎo)致晶界腐蝕裂紋產(chǎn)生。

 由于奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管的晶間腐蝕是最常見(jiàn)的同時(shí)危害又比較大，所以在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中隊(duì)晶間腐蝕的檢驗(yàn)及判定都有明確的規(guī)定。GB13296-2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》和GB/T14976-2012《流通輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》都規(guī)定晶間腐蝕為必檢項(xiàng)目。而在近年來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督抽查中，晶間腐蝕不合格率仍比較高，所以對(duì)目前晶間腐蝕的防止和控制等方面有待加強(qiáng)。

一、實(shí)驗(yàn)材料與方法

  1. 材料

 18-8型奧氏體不銹鋼是工業(yè)中應(yīng)用最廣的不銹鋼之一，在常溫和低溫下有良好的韌型、塑性、焊接性、抗腐蝕性及無(wú)磁性，也有抗化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的能力，廣泛應(yīng)用于石油化工、核電、冶金機(jī)械、醫(yī)藥、儀器儀表、食品等行業(yè).晶間腐蝕（IGC）是18-8型奧氏體不銹鋼常發(fā)生的一種局部腐蝕。本次試驗(yàn)采用的試樣為規(guī)格φ25×2、牌號(hào)06Cr18Ni11Ti的冷拔不銹鋼無(wú)縫鋼管。

 2. 晶間腐蝕試驗(yàn)

 依照GB/T4334-2008中的規(guī)定進(jìn)行取樣制樣工作，從成品鋼管上截取長(zhǎng)度為120mm的管段試樣3個(gè)；在敏化熱處理前對(duì)其進(jìn)行研磨，隨后將管段試樣放入箱式熱處理爐中，在650℃進(jìn)行敏化熱處理，處理時(shí)間2小時(shí)。敏化熱處理后取出管段試樣，其中2試樣被加工制備成4件（各2件）長(zhǎng)度為80mm、弧度寬為10mm、厚度為管材壁厚2mm的條形試樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，另外1個(gè)管段留存。嚴(yán)格按照GB/T4334-2008的要求在晶間腐蝕試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)4件條形試樣進(jìn)行打磨，從而去掉表面上的氧化皮，然后進(jìn)行機(jī)械研磨和拋光處理；選取硫酸-硫酸銅溶液作為腐蝕介質(zhì)進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。晶間腐蝕試驗(yàn)完成后，取出試樣，洗凈、干燥，并進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。依據(jù)GB/T232-2010規(guī)定進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)在WAW-1000液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)用壓頭準(zhǔn)5mm，彎曲角度為180°，結(jié)果顯示，在彎曲試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)條形試樣內(nèi)表面存在裂紋。

二、結(jié)果與討論

 1. 腐蝕的影響因素

   a. 化學(xué)成分

    碳含量

    碳是不銹鋼敏化的關(guān)鍵性元素，對(duì)晶間腐蝕有重大影響。碳含量＜0.08%時(shí)，碳析出量較少；碳含量＞0.08%時(shí)，則碳析出量迅速增加。隨著不銹鋼中碳含量的增加，在晶界生成的Cr3C2數(shù)量隨之增多，導(dǎo)致晶界形成“貧鉻區(qū)”的機(jī)會(huì)增多，產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向增大，使不銹鋼的腐蝕速度增大，可見(jiàn)碳是晶間腐蝕最有害的元素之一。

    鉻含量

    奧氏體不銹鋼中，鉻含量的增加，在低敏化溫度區(qū)會(huì)加速晶間腐蝕，在高敏化溫度區(qū)則會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)生晶間腐蝕的時(shí)間。18Cr-8Ni鋼的晶間腐蝕在低于550℃時(shí)受鉻的擴(kuò)散控制；高于此溫度時(shí)，受碳化物的生成速度控制。因此，在低溫下，低碳不銹鋼也易于敏化。

  b. 生產(chǎn)工藝

   固溶處理

  奧氏體不銹鋼的固溶處理的溫度一般是1050℃~1100℃，固溶處理能夠提高不銹鋼的可塑性和耐腐蝕性，所以不銹鋼產(chǎn)品一般以固溶狀態(tài)交貨。固溶溫度過(guò)高，雖然能提高碳化物的溶解度，但也會(huì)引起晶粒粗化。晶粒粗化使晶界的表面積減少，使M23C6的析出密度增高。此外溫度過(guò)高將使碳化鈦溶解，使鋼材的耐晶間腐蝕性降低。

  冷卻速度

  奧氏體不銹鋼無(wú)縫鋼管的冷卻要求是快速冷卻。這樣做的目的是快速通過(guò)450℃~850℃這個(gè)容易碳化物的溫度帶，降低晶間腐蝕的敏感性。但大多數(shù)民營(yíng)企業(yè)均采用的高壓水槍噴淋的方法不能到達(dá)快速冷卻的要求，冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，冷卻不均勻，鋼管內(nèi)外表面冷卻速度也有差異。

  表面增碳

 碳對(duì)耐晶間腐蝕性能是最不利的，碳極易與鋼中的鉻形成碳化物，增加晶間腐蝕出的傾向。目前冷拔是所用的潤(rùn)滑劑都屬于碳?xì)浠衔铩Ｔ陔S后的固溶處理時(shí)使表面增碳。從而使發(fā)生晶間腐蝕的概率提高。通過(guò)對(duì)不合格晶間腐蝕樣品的金相法分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕深度在50μm~100μm之間。通過(guò)研磨一定深度，經(jīng)彎曲法檢驗(yàn)樣品合格。說(shuō)明表面增碳是不銹鋼無(wú)縫鋼管晶間腐蝕傾向的一個(gè)因素。

 2. 腐蝕的評(píng)定

 晶間腐蝕方法中硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法是目前測(cè)量不銹鋼晶間腐蝕敏感性的一種準(zhǔn)確、迅速的理想檢測(cè)手段。其結(jié)果評(píng)定有彎曲法和金相法兩種。彎曲法簡(jiǎn)單快速，但是對(duì)于塑性、韌性和抗斷裂性能較低的不銹鋼材料，在彎曲過(guò)程中材料本身會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。這時(shí)彎曲法需要考慮材料力學(xué)性能對(duì)晶間腐蝕彎曲評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。對(duì)于不能進(jìn)行彎曲評(píng)價(jià)或彎曲裂紋難以判定時(shí)，需要采用金相法。但是目前在GB/T4334-2008中金相法對(duì)于允許的晶間腐蝕深度又沒(méi)有明確的規(guī)定，造成部分樣品難以判定。因此，建議國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修訂這方面的規(guī)定。

三、分析討論

  在工程的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往同時(shí)存在兩種或兩種以上的腐蝕機(jī)理，其中貧鉻所引起的晶間腐蝕現(xiàn)象最為普遍。鋼的化學(xué)成分以及熱處理工藝可決定是否引起晶間腐蝕和腐蝕的程度，其中碳含量是影響奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的最主要因素，其敏感性隨碳含量的增加遞增，不銹鋼中的碳含量＜0.03%，其晶間腐蝕敏感性大大降低。改變鋼的化學(xué)成分和熱處理工藝是控制奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的主要的、最有效的措施。實(shí)踐表明，合適的固溶處理、穩(wěn)定化處理、降低碳及雜質(zhì)元素（如硅、磷和氮）在奧氏體不銹鋼晶界的含量、加入穩(wěn)定劑（如鈦和鈮）消除或防止熱加工或冷加工過(guò)程中對(duì)材料的影響等，都是降低晶間腐蝕敏感性和防止晶間腐蝕的有效措施。