金属腐蚀与防护8

1第八章热力设备的应力腐蚀主要内容¾应力腐蚀、应力腐蚀破裂、腐蚀疲劳、氢损伤的发生条件、影响因素、防治方法¾锅炉碱脆的产生条件、机理、腐蚀特点和防护措施2基本概念¾应力腐蚀：金属材料在应力及腐蚀介质共同作用下产生的腐蚀¾应力腐蚀的分类：（1）应力腐蚀破裂：金属受拉应力和特定介质共同作用引起的破裂（2）腐蚀疲劳：金属受腐蚀介质和交变应力共同作用而引起的破坏（3）氢损伤：由于金属内部含有氢原子或与氢反应而引起的脆性断裂38.1应力腐蚀破裂（SCC）StressCorrosionCracking一、产生SCC条件1.金属本身对SCC敏感取决于金属组成，一般合金易发生2.受一定拉应力的作用SCC只有在拉应力作用下发生拉应力来源：（1）残余应力（2）工作应力（3）金属腐蚀产物引起的内应力48.1应力腐蚀破裂（SCC）3.特定介质金属材料发生SCC要在特定介质下进行常用材料的特定介质：9低碳钢：NaOH（碱脆）、沸腾HNO3溶液9奥氏体不锈钢：NaCl9铜合金：氨蒸汽（季裂）胺类物质举例：无意识地造成SCC环境金属丝网厂（黄铜丝网）美农场主丙烷（水泵燃料）贮罐黄铜部件的SCC奥氏体不锈钢扫雷艇58.1应力腐蚀破裂（SCC）二、SCC特征1.分三阶段进行（1）孕育期-产生微裂纹裂纹萌生阶段。根据材料与环境介质的不同，孕育期长短不定，一般为几个月到几年。（2）裂纹的扩展为微裂纹的扩展过程。SCC扩展速度较快，微裂纹一旦形成，可使材料迅速破裂。不同合金的扩展速度一般为1~5mm/h68.1应力腐蚀破裂（SCC）（3）裂纹失稳阶段经过孕育期和裂纹扩展期，形成的裂纹足以使材料失去原有的力学、机械性能，进入失稳阶段。此阶段很短，最后使材料破坏、断裂。其中第一个阶段最长，占整个过程的90%2.属于脆性断裂断裂前几乎不发生显著的塑性变形，断裂突然发生。裂纹形态：沿晶、穿晶、混合3.裂纹方向垂直于拉应力方向78.1应力腐蚀破裂（SCC）898.1应力腐蚀破裂（SCC）三、影响SCC的因素1.金属材料（1）二元或三元合金发生SCC的敏感性高，纯度高的金属敏感性小。（2）合金元素第五类元素：P、N、As、Sb、Bi及Al、Mo等，可提高材料的SCC敏感性。Si、Ni等元素，可降低材料的SCC敏感性。（3）热处理因素可获不同组织结构Ex:SCC敏感性：水淬油淬空冷108.1应力腐蚀破裂（SCC）2.环境因素（1）介质特定介质（2）氧化剂对有些金属，介质中必须含有氧化剂才能发生SCC。EX:奥氏体不锈钢在NaCl介质中，只有当含氧量超过1mg/L时，才能发生SCC。（3）温度不同材料在介质中引起SCC的温度不相同118.1应力腐蚀破裂（SCC）Ex:镁合金：室温下发生SCC软钢：介质沸腾温度下才破裂对某些体系，存在发生SCC的临界温度TT临，SCC可发生TT临，SCC不会发生3.应力SCC的发生必须受拉应力的作用。拉应力σ越大，破裂时间越短但σσ临，不发生SCC128.1应力腐蚀破裂（SCC）四、SCC机理膜破裂机理1.金属表面存在保护膜2.裂纹源的形成材料表面的缺陷或薄弱点，成为SCC的裂纹源3.微裂纹的形成⎯⎯⎯⎯→→⎯⎯⎯⎯⎯→→→⎯⎯⎯⎯→特定介质拉应力拉应力足够大拉应力特定介质裂纹源塑性变形滑移阶梯表面膜破裂基体裸露裸露基体腐蚀微裂纹138.1应力腐蚀破裂（SCC）4.金属断面破裂微裂纹形成后，裂纹尖端起应力“升高器”作用，应力高度集中，使尖端及邻近区域变形屈服，裂纹便不断向深处发展，最后导致金属断面破裂。¾SCC发生的敏感电位：活化-钝化过渡区钝化-过钝化过渡区这两个电位区域钝化膜不稳定，易形成裂纹源148.1应力腐蚀破裂（SCC）五、SCC控制1.降低和消除拉应力残余应力消除：退火工作应力消除：合理设计2.改善介质除去有害物质，加入缓蚀剂3.合理选材避免金属材料在其发生SCC的特定介质中使用4.电化学保护158.2锅炉的碱脆一、定义碳钢在NaOH溶液中发生的应力腐蚀破裂又称苛性脆化二、锅炉碱脆发生部位和特点出现部位：铆接炉的铆接处，胀管锅炉的胀接处特点：具有一般SCC的特点特有特点：裂纹呈放射性伸展，出现在拉应力最大部位裂纹处有一条主裂纹和许多支裂纹168.2锅炉的碱脆三、锅炉碱脆产生条件¾要满足一般SCC发生条件：材料+特定介质+拉应力碳钢+NaOH+拉应力¾NaOH来源：炉水中碳酸盐等的水解，产生的游离碱2323COHOHCOOH−−−++U178.2锅炉的碱脆锅炉产生碱脆条件：(1)受拉应力作用(2)炉水中含有游离的NaOH(3)炉水在拉应力处发生局部浓缩在铆接或胀接处，往往存在应力。若铆接处和胀接处有不严密的地方，炉水就往外泄漏，蒸发浓缩，炉水中的游离NaOH就会在此处浓缩，从而发生碱脆。188.2锅炉的碱脆¾一般炉水相对碱度0.2，就有碱脆危险例如，某纺织厂一2.3MPa锅炉，补水位软化水，相对碱度为0.6，运行中发生爆炸。检查发现锅炉钢板上有大量肉眼可见的裂纹，集中在铆钉孔处，裂纹向外辐射延伸。铆钉头、钢板用手锤敲击即断裂—“脆化”¾锅炉碱脆有其产生的历史背景，主要发生于铆接、胀接的低压锅炉，且用软化水作补水。随着时代的发展和时间推移，碱脆将成为历史。但对今后防止高参数锅炉的碱脆有指导意义。198.2锅炉的碱脆四、锅炉碱脆防止方法1.降低或消除锅炉部件所受的拉应力（1）改变锅炉部件连接方式用焊接代替铆接或胀接目前锅炉均采用焊接结构和悬吊式安装，附加应力小，但要注意焊接严密性。（2）改善锅炉结构和安装方法主要为减少热应力汽包与给水短管及加药短管接触处易产生热应力208.2锅炉的碱脆消除方法：①在给水短管及加药短管上安装保护套，可消除因热胀冷缩而引起的应力。②给水管在汽包内要沿长度方向均匀分布，可减少汽包所承受的热应力（3）保持锅炉良好的运行状况锅炉的运行状态要稳定，尽量减少锅炉负荷的波动。锅炉运行状况不良易引起局部应力。例如，不能向锅炉周期性的大量加入给水，这样易引起锅炉负荷周期性的波动。218.2锅炉的碱脆2.降低炉水中的NaOH含量（1）采用适当的炉外水处理，降低补给水中含碱量。（2）选用合理的炉内水处理方法控制炉水的相对碱度≤0.2协调磷酸盐处理：中和游离NaOH24342NaHPONaOHNaPOHO++U水质控制方法：①控制炉水碱度②控制炉水的pH值228.3不锈钢的应力腐蚀破裂不锈钢：Fe+Cr+Mo,Cu,Ti,Ni等组成热力设备中常用作叶片、高压加热器、热交换器等设备材料一、不锈钢SCC特点同样具有一般SCC特点（1）属于脆性断裂（2）裂纹方向垂直于拉应力方向（3）裂纹有主干，也有分支奥氏体不锈钢主要是穿晶裂纹马氏体和铁素体不锈钢主要是沿晶裂纹238.3不锈钢的应力腐蚀破裂二、产生SCC部位（1）锅炉过热器使用温度450~550℃处于不锈钢的敏化温度，蒸汽中含微量的氯离子就可引起SCC（2）汽机叶片、键槽有应力存在，蒸汽开始凝结部位易发生（3）核电站蒸发器和热交换器管常发生蒸发器传热管：水蒸发浓缩，氯离子浓度增大248.3不锈钢的应力腐蚀破裂三、防止方法1．选用耐蚀材料在易发生SCC部位选用耐SCC材料例如用核电站中，用铁镍基合金钢代替奥氏体不锈钢，可以避免发生SCC2．消除拉应力消除残余应力，减小工作应力3．降低介质中腐蚀性离子浓度炉水中严格控制氯离子含量同时控制游离NaOH和溶解氧258.4热力设备的氢损伤一、定义¾由于金属中含有氢原子或与氢反应引起的机械破坏类型：氢鼓疱、氢脆、氢蚀9氢原子来源：高温潮湿气氛腐蚀或电解的阴极过程9氢原子半径很小，可扩散到钢或其它金属内部9氢原子一旦复合成氢气，就不能在金属中扩散268.4热力设备的氢损伤二、氢鼓疱¾特征：在金属表面、内部出现一个个鼓包，使材料发生破裂¾机理：氢气不能扩散，随着空穴中氢气的不断积累，压力不断增大，空穴中氢气压力可高达：109帕，使金属破裂2H→⎯⎯⎯→复合腐蚀反应氢原子（H）⎯⎯⎯→→扩散金属内部空穴中复合成氢气278.4热力设备的氢损伤三、氢脆¾由于原子氢扩散到金属内部，使金属变脆，在拉应力作用下金属发生脆性断裂¾特征：脆性断裂，类似于SCC¾与SCC区别‹SCC:由拉应力和特定介质联合作用下引起施加阳极电流加速破裂，不可逆‹原子氢扩散到金属内部使金属变脆施加阴极电流可加速破裂，在形成裂纹前可逆288.4热力设备的氢损伤四、氢蚀¾由于氢与金属中第二相（夹杂物、合金添加剂）交互作用生成高压气体，引起金属脆性断裂铜合金：气体在金属中产生巨大压力，造成金属的脆性断裂222()HCuOCuHO+→+气态3443()HFeCFeCH+→+气态钢：298.4热力设备的氢损伤五、防止措施1.提高材料耐氢损伤的性能①加入防氢脆合金元素，如Ni、Mo②避免使用沸腾钢（内有空穴和其他缺陷）可用镇静钢（无空穴）2.降低介质侵蚀性①除去促进氢脆的有害物质，如S2-、CN-、砷化物等②添加缓蚀剂，加速H在金属表面的复合，或在金属表面形成一层保护膜308.4热力设备的氢损伤3.烘烤脱氢在90~150℃下对钢材进行烘烤，可使钢材脱氢4.焊接时，采用低氢焊条，并在干燥条件下焊接，可减少氢原子来源。5.在金属表面涂上或包覆一层抗氢渗透的涂层或衬里Ex:用橡胶、塑料作涂层318.5热力设备的腐蚀疲劳（CF）CorrosionFatigue定义：金属在腐蚀介质和交变应力同时作用下产生的破坏一、特征1.没有腐蚀疲劳极限，有腐蚀疲劳强度机械疲劳有疲劳极限2.断口特征存在三区域：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、最后断裂区疲劳裂纹扩展区呈贝纹状或海滩波纹状微观：只有主裂纹，多为穿晶裂纹思考：CF与SCC的区别328.5热力设备的腐蚀疲劳（CF）二、CF产生的部位1.锅炉①锅炉集汽联箱的排水孔处冷凝水与热金属周期性接触产生交变应力②汽包与管子连接的部位管子：给水管、加药管、定期排污管2.汽机①汽机湿蒸汽区的叶片，特别是初凝水的部位②长期保持水分的部位3.凝汽器管子中部：排气产生管束振动338.5热力设备的腐蚀疲劳（CF）三、CF影响因素1.材质本身不同材质耐CF性能不同，不锈钢较耐CF，且含Cr量增加可提高其耐CF性能；材质表面状况不好或内部存在缺陷，则易发生CF。2.交变应力交变应力大，产生腐蚀疲劳时间短交变速度越高，越易产生腐蚀疲劳3.介质：介质腐蚀性越强，材料的腐蚀疲劳强度越低2[],,[],,ClpHOCFT−↑↓↑↑则越易产生材料腐蚀疲劳强度降低348.5热力设备的腐蚀疲劳（CF）四、CF防止方法1.尽量减小交变应力减小机组起停次数2.改善介质环境降低氯离子、溶解氧等侵蚀性物质含量pH控制在一定范围3.加强停机保护，停炉保护减少疲劳源的产生4.阴极保护5.表面处理