不銹鋼點蝕的影響因素包括材料、環(huán)境、應力、流場以及設備結構等多個方面,其中材料是抑制點蝕的根本原因。不銹鋼耐點蝕性能與材料的合金成分、金相組織、表面狀態(tài)以及表面夾雜物等都有關系。如前所述,不銹鋼表面含夾雜物的位置,是材料的薄弱環(huán)節(jié),其耐點蝕性能大大降低,在腐蝕性介質中,一般夾雜物處會優(yōu)先被破壞,引起點蝕。
鉻是提高不銹鋼耐點蝕性能的重要元素,鉻與氧生成氧化物,能夠阻止侵蝕性離子的入侵,能夠提高鈍化膜的穩(wěn)定性,提高點蝕電位;鎳在不銹鋼中的作用是改變材料的晶體結構,使不銹鋼耐腐蝕性能獲得改善。同時,在非氧化性介質中,不銹鋼中因鎳元素的存在,使其鈍化范圍增大,有利于再鈍化。鉬可以提高不銹鋼的鈍化能力,也與氧生成氧化物,存在于鈍化膜中,提高鈍化膜的穩(wěn)定性。硫、磷、碳等非金屬元素在不銹鋼中所形成的夾雜物降低了材料的耐點蝕性能。下面重點討論不銹鋼微觀結構對點蝕性能的影響,以文獻中的點蝕失效管道為例進行說明。
不銹鋼管道材料為S30403,管內液體為貧胺液。其中,液體中SO2-4含量約為130~140g/L,Cl-含量約為20~60mg/kg,以及含有少量的SO2-3,pH約為4.5。管道運行不到2個月,就發(fā)現(xiàn)在管道連接處因點蝕而發(fā)生泄漏。為分析材料對點蝕材料耐點蝕性能的影響,進行了微觀組織觀察、成分檢測以及電化學實驗。
首先,對母材、完整的焊縫以及已經(jīng)發(fā)生腐蝕的焊縫取樣,在金相顯微鏡下觀察其結構組織,結果如圖2-4所示。圖2-4(a)為母材的金相組織,奧氏體+孿晶。未發(fā)生腐蝕的焊縫,其金相組織為正常的奧氏體十鐵素體,如圖2-4(b)所示。但是,發(fā)生腐蝕的焊縫,其微觀結構會產(chǎn)生變化,結構中存在很多馬氏體,如圖2-4(c)所示。
其次,對焊接部位材料進行能譜分析,檢測位置沿圖2-5中標識的箭頭指向。檢測區(qū)域包含三個,如圖2-5所示,分別包含了母材、完成焊縫、已腐蝕焊縫部分的材料。掃描線1+2代表了腐蝕焊縫的材料;3代表了腐蝕較輕部位的焊縫和母材;4代表了正常焊縫和母材的材料,檢測結果如表2-1所示。通過與材料規(guī)定成分對比發(fā)現(xiàn),發(fā)生腐蝕部位的材料,其鉻、鎳含量降低。
通過電化學實驗分析管材的耐腐蝕性能。通過取樣,制備成母材、完整焊縫、已腐蝕焊縫三種工作電極,利用動電位掃描法測量得到極化曲線,結果如圖2-6所示。電化學實驗完成后,觀察試樣表面形貌,如圖2-7所示。
分析圖2-6中的極化曲線發(fā)現(xiàn):母材、完整焊縫材料的耐腐蝕性能相近;與母材、完整焊縫材料的極化曲線相比較,已腐蝕部分焊縫材料的點蝕電位較小、維鈍電流密度較大。根據(jù)鈍態(tài)材料耐腐蝕性能的判斷依據(jù)可知,已腐蝕部位焊接材料的耐點蝕性能較低。從實驗后材料表面腐蝕形貌來看(圖2-7),母材、完整焊縫材料的表面只有很少的點蝕坑,而已腐蝕部位焊接材料的表面不但點蝕數(shù)量多,而且個別點蝕坑的面積較大。通過前面的微觀結構分析可知,在已腐蝕焊縫材料中發(fā)現(xiàn)了馬氏體組織,已有的研究表明,馬氏體相的點蝕電位比奧氏體相低,因此,馬氏體相的存在降低了金屬的耐點蝕性能。
另外,受力狀態(tài)對點蝕的形成也有一定影響。存在應力的情況下,應力能夠提高金屬電化學活性、促進MnS等夾雜物的溶解,使點蝕優(yōu)先在此處發(fā)生。材料表面的粗糙度也是影響不銹鋼腐蝕的重要素之一,該部分將在最后一章敘述。