核級奧氏體不銹鋼無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異的耐蝕性能而廣泛應用于核電廠中的各種部件，包括核級重要部件，這些核級部件在服役過程中需要耐高溫、耐腐蝕，因此在設計、制造過程中都有嚴格的要求。奧氏體不銹鋼材料在使用過程中發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，從而導致晶界附近區域貧鉻，并使得不銹鋼發生敏化。由于晶界附近鉻含量降低，導致在苛刻的腐蝕環境下，腐蝕優先從晶界開始，從而導致晶界腐蝕裂紋產生。

 由于奧氏體不銹鋼無縫鋼管的晶間腐蝕是最常見的同時危害又比較大，所以在國家標準中隊晶間腐蝕的檢驗及判定都有明確的規定。GB13296-2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》和GB/T14976-2012《流通輸送用不銹鋼無縫鋼管》都規定晶間腐蝕為必檢項目。而在近年來的產品質量監督抽查中，晶間腐蝕不合格率仍比較高，所以對目前晶間腐蝕的防止和控制等方面有待加強。

一、實驗材料與方法

  1. 材料

 18-8型奧氏體不銹鋼是工業中應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、抗腐蝕性及無磁性，也有抗化學腐蝕和電化學腐蝕的能力，廣泛應用于石油化工、核電、冶金機械、醫藥、儀器儀表、食品等行業.晶間腐蝕（IGC）是18-8型奧氏體不銹鋼常發生的一種局部腐蝕。本次試驗采用的試樣為規格φ25×2、牌號06Cr18Ni11Ti的冷拔不銹鋼無縫鋼管。

 2. 晶間腐蝕試驗

 依照GB/T4334-2008中的規定進行取樣制樣工作，從成品鋼管上截取長度為120mm的管段試樣3個；在敏化熱處理前對其進行研磨，隨后將管段試樣放入箱式熱處理爐中，在650℃進行敏化熱處理，處理時間2小時。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）長度為80mm、弧度寬為10mm、厚度為管材壁厚2mm的條形試樣進行晶間腐蝕試驗，另外1個管段留存。嚴格按照GB/T4334-2008的要求在晶間腐蝕試驗前應對4件條形試樣進行打磨，從而去掉表面上的氧化皮，然后進行機械研磨和拋光處理；選取硫酸-硫酸銅溶液作為腐蝕介質進行晶間腐蝕試驗。晶間腐蝕試驗完成后，取出試樣，洗凈、干燥，并進行彎曲試驗。依據GB/T232-2010規定進行彎曲試驗，彎曲試驗在WAW-1000液壓萬能試驗機上進行，試驗用壓頭準5mm，彎曲角度為180°，結果顯示，在彎曲試驗后發現條形試樣內表面存在裂紋。

二、結果與討論

 1. 腐蝕的影響因素

   a. 化學成分

    碳含量

    碳是不銹鋼敏化的關鍵性元素，對晶間腐蝕有重大影響。碳含量＜0.08%時，碳析出量較少；碳含量＞0.08%時，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數量隨之增多，導致晶界形成“貧鉻區”的機會增多，產生晶間腐蝕的傾向增大，使不銹鋼的腐蝕速度增大，可見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，在低敏化溫度區會加速晶間腐蝕，在高敏化溫度區則會延長產生晶間腐蝕的時間。18Cr-8Ni鋼的晶間腐蝕在低于550℃時受鉻的擴散控制；高于此溫度時，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，所以不銹鋼產品一般以固溶狀態交貨。固溶溫度過高，雖然能提高碳化物的溶解度，但也會引起晶粒粗化。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

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

  表面增碳

 碳對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滑劑都屬于碳氫化合物。在隨后的固溶處理時使表面增碳。從而使發生晶間腐蝕的概率提高。通過對不合格晶間腐蝕樣品的金相法分析發現，腐蝕深度在50μm~100μm之間。通過研磨一定深度，經彎曲法檢驗樣品合格。說明表面增碳是不銹鋼無縫鋼管晶間腐蝕傾向的一個因素。

 2. 腐蝕的評定

 晶間腐蝕方法中硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法是目前測量不銹鋼晶間腐蝕敏感性的一種準確、迅速的理想檢測手段。其結果評定有彎曲法和金相法兩種。彎曲法簡單快速，但是對于塑性、韌性和抗斷裂性能較低的不銹鋼材料，在彎曲過程中材料本身會發生開裂。這時彎曲法需要考慮材料力學性能對晶間腐蝕彎曲評價結果的影響。對于不能進行彎曲評價或彎曲裂紋難以判定時，需要采用金相法。但是目前在GB/T4334-2008中金相法對于允許的晶間腐蝕深度又沒有明確的規定，造成部分樣品難以判定。因此，建議國家標準修訂這方面的規定。

三、分析討論

  在工程的實際應用過程中，往往同時存在兩種或兩種以上的腐蝕機理，其中貧鉻所引起的晶間腐蝕現象最為普遍。鋼的化學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。實踐表明，合適的固溶處理、穩定化處理、降低碳及雜質元素（如硅、磷和氮）在奧氏體不銹鋼晶界的含量、加入穩定劑（如鈦和鈮）消除或防止熱加工或冷加工過程中對材料的影響等，都是降低晶間腐蝕敏感性和防止晶間腐蝕的有效措施。