金属波纹管的腐蚀问题

1、金属波纹管的腐蚀问题第1页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四内 容金属材料腐蚀的基本概念；金属波纹管腐蚀的类型引发金属波纹管腐蚀的因素防护措施第2页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四研究金属波纹管腐蚀的重要性波纹管是一种很特殊的构件。波纹管是管系中十分关键又比较薄弱的环节。波纹管的材料多为奥氏体不锈钢，它对若干介质和卤素离子极为敏感。发生的波纹膨胀节腐蚀失效案例已占各种失效案例的笫一位。因此研究波纹管的腐蚀与防护问题十分重要。第3页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四腐蚀的种类金属腐蚀可分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀指整个金属表

2、面均发生腐蚀，可以是均匀的也可以是不均匀的。局部腐蚀的种类很多：如点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、腐蚀疲劳、选择腐蚀等。从腐蚀失效案例看：局部腐蚀占82.2，全面腐蚀占17.8。局部腐蚀危险性极大，往往在没有预兆的情况下，构件突然爆(断)裂第4页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四金属波纹管腐蚀的常见类型点腐蚀应力腐蚀晶间腐蚀第5页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四点 腐 蚀点腐蚀是一种腐蚀集中在金属表面数十微米且向纵深发展的腐蚀形式第6页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四点蚀 的外观形貌1)金属表面腐蚀极其轻微，只是局部出现

3、腐蚀小孔。2)表面看上去不是蚀坑，凹坑仍呈金属光泽。3)蚀坑尺寸很小，且被腐蚀物蓋。第7页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四波壳上的点腐蚀空洞 点蚀造成波纹管壁穿孔，使大量介质外洩，引发事故。第8页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四现场用高温树脂堵漏第9页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四点蚀和应力腐蚀的交互作用由于波壳受到拉应力的作用，往往造成腐蚀由点蚀开始，呈树枝状裂纹沿波壳壁厚纵深方向延伸，最终造成点蚀加应力腐蚀的失效破裂。 第10页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四点 蚀 发 生 的 条 件当不锈钢

4、和铝等金属材料表面钝化膜被破坏并接触含有卤族离子溶液时。第11页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四3000X下316L夹杂物形貌 第12页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四点腐蚀位置和夹杂物能谱分析 第13页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四影响点腐蚀的因素1.材料方面1)合金元素的影响 含Cr量的增大，致使点蚀电位向正方向移动，Mo是抑制活性金属表面溶解的重要元素，在氯离子存在的环境中，为再钝化争取了时间，防止了膜的破坏，所以在有氯离子的环境中应该首选高Cr、含Mo含N的奥氏体不锈钢。 第14页，共45页，2022年，5月20

5、日，13点32分，星期四影响点腐蚀的因素2)热处理的影响固溶处理可以大大降低金相组织中因形变而产生的位错的密度，使合金中的成分均匀化，消除偏析，修复材料表面因形变而破坏的钝化膜，恢复和提高材料表面的再钝化能力，使点蚀得到有效 的抑制。3)表面质量。第15页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四影响点腐蚀的因素2.环境方面 1)卤族元素。尤其是Cl-，含有氯离子的盐溶液如海水、原油及露点以下的高炉气体对波纹管易引发点蚀。 2)温度影响。温度升高，Cl-活化能显著提高，点蚀坑数目急剧增多。 3)流动状态。金属的点蚀在介质处于静止时易发生。 4)氧含量。当环境或介质中缺氧时，点蚀发

6、生的概率明显降低。 5) PH值。PH值对不锈钢点蚀的产生影响不大。第16页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四应 力 腐 蚀 (SCC)应力腐蚀是金属在拉应力和特定环境共同作用下引起的脆性断裂，英文缩写SCC（Stress Corrosion Cracking）SCC是一种腐蚀速度快，且往往是在不出现任何预兆的情况下发生的迅速而突然的破坏断裂 。由于波纹管自身的特点，促使它比一般结构件对应力腐蚀更敏感 。 第17页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四SCC占总腐蚀事故的 调查范围 材料调查年限占腐蚀事故美国杜邦化学公司各种材料 3年 23日本三菱化机公

7、司各种材料 10年 45.6日本国內综合调查不锈钢 10年 35.3日本石油化工厂各种材料 10年 42.2美国原子能电站各种材料 10年 18.7第18页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四应 力 腐 蚀 第19页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四应 力 腐 蚀 第20页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四应力腐蚀外观形貌应力腐蚀破裂时,肉眼难见腐蚀产物，表面光亮如新 第21页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四应力腐蚀外观形貌 波壳内表面应力腐蚀裂纹第22页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星

8、期四应 力 腐 蚀 断 裂 特 征 裂纹纵深比其宽度要大几个量级，呈树枝状第23页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四断 口 形 貌 晶间断裂呈冰糖块状第24页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四引发应力腐蚀的三大因素1)敏感材料。合金比纯金属更易发生应力腐蚀。2)特定腐蚀介质。对于某种合金，能发生应力腐蚀与其特定的腐蚀介质有关。而且介质浓度一般很低。3)拉伸应力。来源：残余应力和工作应力。第25页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四波纹管应力腐蚀的自身因素1. 波壳冷挤压成形的影响1)形变促进位错增殖2)形变诱发形变马氏体3) 形变

9、导致表面钝化膜的破裂4)形变促进“机械化学效应” 2.波壳上的拉应力影响 1)残余应力 2)工作应力3.不合理的结构设计第26页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四波壳冷挤压成形的影响形变促进位错增殖波纹管成形工艺。均属于冷挤压，在波峰和波谷处产生了塑性形变。塑性变形的机制。主要是位错的滑移，形变促进晶体中位错增殖。位错对材料的腐蚀性能影响极大，在位错露头处，原子的活化能较高，裂纹最初易在此处形核并扩展。 第27页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四 裂纹起裂部位可见到位错腐蚀的痕迹 波壳冷挤压成形的影响形变促进位错增殖第28页，共45页，2022年，5

10、月20日，13点32分，星期四波壳冷挤压成形的影响形变诱发形变马氏体形变马氏体的产生，其转变量随着奥氏体形变量的增加而增加, 由于马氏体的腐蚀电位比奥氏体低，故在腐蚀环境中会优先溶解。第29页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四不同加工工艺对形变马氏体的影响波峰加工方式液压胀压滚压马氏体含量(波峰处)2.33.25.1测点位置号第30页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四波壳冷挤压成形的影响形变导致表面钝化膜的破裂波纹管在挤压成形过程中，从波谷到波峰形变不断增大，变形量最大达40 。材料的塑性形变导致不锈钢表面钝化膜破裂，降低了合金元素的腐蚀电位，增加了

11、阳极电流密度 尤其是波峰处材料的应变速率远大于波谷，这也是为什么应力腐蚀的发生在波峰先于波谷的原因。第31页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四波壳上的拉应力1)波壳上的残余应力：成形残余应力、焊接残余应力、装配应力等。2)波壳上的工作应力：主要包括介质压力（内压或外压）和位移载荷在波纹管中产生的应力。 第32页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四应力腐蚀过程和拉应力作用 应力腐蚀过程一般可分为三个阶段: 第一阶段为裂纹孕育期。因腐蚀过程的局部化和拉应力作用的结果,使裂纹孕育成核,形成微小凹坑，这一阶段约占总断裂时间的90。 第二阶段为裂纹扩展期。该期是

12、初始裂纹在腐蚀介质和拉应力的共同作用下扩展,直至发展到临界尺寸所经历的时间。 第三阶段为失稳断裂期。由于拉应力的局部集中,裂纹随应力增大而迅速扩展,在极短时间内发生断裂破坏。第33页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四结构设计不尽合理直管外压旁通平衡型膨胀节先后失效漏水。 工作波纹管与介质接触的表面层有严重的点腐蚀及腐蚀后开裂现象，同时与空气接触的表面层已经发生平面失稳而开裂 。平衡波纹管与介质接触的表面层虽然有轻微腐蚀，但是整体情况基本完好。 這种波纹管的设计缺陷在于工作波纹管的盲端造成了死角，致使腐蚀介质富集， 第34页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，

13、星期四直管外压旁通平衡型膨胀节结构简图 工作波纹管的盲端造成了死角 第35页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四第36页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四防止或减轻应力腐蚀的措施1)合理选材 2)固溶处理 3)控制应力 4)改变环境 第37页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四关于晶间腐蚀 晶间腐蚀是金属在持定的腐蚀介质中沿着金属晶界发生的一种局部腐蚀。晶间腐蚀机理：贫Cr理论当奥氏体不锈钢在敏化温度范围内加热，奥氏体中过饱和的C就会迅速地向晶界扩散与铬结合形成Cr C ，Cr的含量明显下降，出现贫铬区，这样，就形成了处于活化态的晶

14、界贫铬区与处于钝态的未贫铬的晶粒区域，建立起一个有很大电位差的活化钝化电池，从而使贫Cr的晶界区域受到侵蚀，发生晶界腐蚀。 第38页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四关于晶间腐蚀合金成份的影响：1)C：奥氏体不锈钢中含C量愈高晶间腐蚀的倾向愈严重。2)Cr：能提高不锈钢耐晶间腐蚀的稳定性。 3)Ti：生成稳定的TiC化合物，减少C的析出，防止了Cr的贫化。防止晶间腐蚀的措施：选用超低碳不锈钢、固溶处理。第39页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四关于几种耐蚀合金合 金Ni Cr Fe Mo C Cu N性 能60072.0 15.5 8.0 - 抗SC

15、C，耐高温。62560.0 22.0 4.0 9.0 抗点蚀，SCC，缝隙腐蚀80035.0 23.0 余 - 0.1 0.75 -抗SCC，耐高温。82540.0 21.0 32.0 3.0抗SCC，晶间腐蚀和一定水平的抗点蚀。哈氏27658.0 15.5 6.0 16.0耐湿氯等苛刻腐蚀环境254SMo18 20 6.0 0.02 0.8 0.2抗点蚀，SCC第40页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四波纹管加速应力腐蚀实验 102小时20分 第一波波峰处裂纹开始扩散，出现细微的周向裂纹；118小时 第一波波峰裂纹贯穿。 第41页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四波纹管加速应力腐蚀实验 113小时15分 第四波波峰溶液与空气交界处出现细的周向裂纹 136小时10分 第四波的裂纹贯穿。 第42页，共45页，2022年，5月20日，13点32分，星期四波纹管加