影响腐蚀的结构因素.pptx
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1、1p 力学因素p 几何因素p 异种金属偶接p 焊接因素p 减轻局部腐蚀的途径 局局 部部 腐腐 蚀蚀 2 力学因素主要表现在力学因素主要表现在不同性质的力与腐蚀介质共同不同性质的力与腐蚀介质共同作用作用产生的腐蚀。产生的腐蚀。一、应力腐蚀SCC1.1.几个实例几个实例(见书(见书P40P40图图2-12-1、2-22-2、2-32-3)2.2.应力腐蚀的概念及产生的条件应力腐蚀的概念及产生的条件 定义:在定义:在固定拉应力固定拉应力和和特定介质特定介质的共同作用下所引的共同作用下所引起的破裂。起的破裂。第一节第一节 力学因素力学因素3 应力腐蚀产生的条件应力腐蚀产生的条件 固定拉应力+特定腐蚀
2、性介质l 拉应力的来源拉应力的来源 1 1)载荷)载荷 2 2)制造加工和装配过程)制造加工和装配过程焊接应力显著焊接应力显著 3 3)腐蚀产物的膨胀)腐蚀产物的膨胀楔入作用楔入作用l 介质条件:介质性质、浓度、温度介质条件:介质性质、浓度、温度对一种合金材料,并非在所有环境中都会发生SCC;在一种环境中,并非所有合金材料都会发生SCC。常见的发生应力腐蚀的条件组合常见的发生应力腐蚀的条件组合见书见书P41P41表表2-12-143.应力腐蚀的破裂速度和裂纹形貌 分两种情况:分两种情况:l 金属在无裂纹、无蚀坑或缺陷的情况下,金属在无裂纹、无蚀坑或缺陷的情况下,SCCSCC分为三分为三个阶段:
3、个阶段:1 1)腐蚀引起裂纹或蚀坑)腐蚀引起裂纹或蚀坑潜伏期潜伏期 90%90%2 2)裂纹承受极限载荷)裂纹承受极限载荷扩展期扩展期 3 3)破裂期)破裂期l存在初始微裂纹或蚀坑存在初始微裂纹或蚀坑 SCC过程只有裂纹扩展和破裂两阶段。过程只有裂纹扩展和破裂两阶段。10%5SCC裂纹形态裂纹形态晶间裂纹晶间裂纹混合裂纹混合裂纹穿晶裂纹穿晶裂纹6黄铜锥套的应力腐蚀黄铜锥套的应力腐蚀断口呈脆性断断口呈脆性断裂颗粒状特征裂颗粒状特征SO2、Cl、NH3的湿环境的湿环境沿晶断裂沿晶断裂岩石特征岩石特征扫扫描描电电镜镜图图74.影响应力腐蚀的因素 内因包括金属的组成、组织结构内因包括金属的组成、组织结
4、构;外因包括介质外因包括介质的种类、浓度和温度等。的种类、浓度和温度等。1 1)应力)应力 在外加应力小时,曲线在外加应力小时,曲线与时间轴近于平行。说明应与时间轴近于平行。说明应力对破裂时间影响不大;在力对破裂时间影响不大;在外加应力大时,材料破裂时外加应力大时,材料破裂时间缩短。间缩短。K值表示破裂时所值表示破裂时所需的最小应力值。需的最小应力值。时间时间外外加加应应力力不破裂不破裂破裂破裂K82 2)金属及合金)金属及合金 纯金属虽有应力腐蚀的现象,但以二元和多元合纯金属虽有应力腐蚀的现象,但以二元和多元合金的敏感性较高。金的敏感性较高。3 3)介质)介质 介质对腐蚀的影响相当复杂。介质
5、对腐蚀的影响相当复杂。SCCSCC要求介质具有一要求介质具有一定的定的浓度浓度;金属在破裂前都有一个;金属在破裂前都有一个最小温度最小温度破裂临破裂临界温度。高于此值时材料才破裂。界温度。高于此值时材料才破裂。95.应力腐蚀机理 影响影响SCC的因素多(物理、化学、力学、热力学、的因素多(物理、化学、力学、热力学、制造等)而复杂,目前未有统一理论解释制造等)而复杂,目前未有统一理论解释SCC机理。但机理。但化学化学力学因素力学因素得到普遍的认可。得到普遍的认可。从电化学角度看,合金中存在一条阳极溶解的“活性途径”。即晶粒边界、塑性变形引起的滑移带、金属间化合物、沉淀相或表面膜的局部破裂-我们称
6、之为活性阳极活性阳极。10 当有较大应力集中时,腐当有较大应力集中时,腐蚀沿这些途径优先进行,形成蚀沿这些途径优先进行,形成小的裂纹或蚀坑。这些小裂纹小的裂纹或蚀坑。这些小裂纹或蚀坑就是小阳极,它与大阴或蚀坑就是小阳极,它与大阴极的金属表面构成腐蚀电池。极的金属表面构成腐蚀电池。如如Cl-等活性阴离子等活性阴离子进入进入形成闭塞电池的裂纹或蚀坑内形成闭塞电池的裂纹或蚀坑内部,使电解质液水解而酸化,部,使电解质液水解而酸化,促使裂纹尖端的阳极快速溶解。促使裂纹尖端的阳极快速溶解。在拉应力的作用下,裂纹不断在拉应力的作用下,裂纹不断扩展直至破裂。扩展直至破裂。11裂纹内的过程:裂纹内的过程:裂纹内
7、的闭塞电池,因为裂纹内的闭塞电池,因为尺寸小,使其内部溶液不易与尺寸小,使其内部溶液不易与外部发生对流交换。因而溶液外部发生对流交换。因而溶液将浓缩。同时,金属腐蚀产生将浓缩。同时,金属腐蚀产生的金属离子在裂纹中的浓度增的金属离子在裂纹中的浓度增高,为保持电中性,裂纹内部高,为保持电中性,裂纹内部的金属离子与外部的活性阴离的金属离子与外部的活性阴离子相向扩散迁移,尤其是子相向扩散迁移,尤其是ClCl-,将使溶液酸化,这样裂纹尖端将使溶液酸化,这样裂纹尖端的腐蚀速度相当大。的腐蚀速度相当大。由上述过程看出,裂纹尖端微区具有由上述过程看出,裂纹尖端微区具有动力阳极动力阳极的特征,的特征,这就是为什
8、么微观裂纹一旦形成就加快扩展的原因。这就是为什么微观裂纹一旦形成就加快扩展的原因。126.应力腐蚀的防护1 1)最有效方法是控制应力水平)最有效方法是控制应力水平 在设计时应降低设备的工作应力水平。在设计时应降低设备的工作应力水平。2 2)尽量减少局部应力集中)尽量减少局部应力集中 结构设计时,应尽可能降低最大有效应力。结构设计时,应尽可能降低最大有效应力。13143 3)用热处理方法消除残余应力或改善合金组织结构)用热处理方法消除残余应力或改善合金组织结构4 4)其他办法:合理选材、添加缓蚀剂、采用阴极保)其他办法:合理选材、添加缓蚀剂、采用阴极保 护等。护等。15应力腐蚀实例应力腐蚀实例
9、实例实例1:北方一条公路下蒸气冷凝回流管原用碳钢制造,由于冷凝液的腐蚀发生破坏,便用304304型型不锈钢(00Cr18Ni9)管更换。使用不到两年出现泄漏,检查管道外表面发生穿晶型应力腐蚀破裂穿晶型应力腐蚀破裂。16实例2:某化工厂生产氯化钾的车间,一台某化工厂生产氯化钾的车间,一台SSSS-800800型三足式离心机转鼓突然发生断裂,转鼓材质为型三足式离心机转鼓突然发生断裂,转鼓材质为1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti。经鉴定为。经鉴定为应力腐蚀破裂应力腐蚀破裂。17实例3:COCO2 2压缩机一段、二段和三段中间压缩机一段、二段和三段中间冷却器为冷却器为304304L L型不锈钢制
10、造。投产一年多型不锈钢制造。投产一年多相继发生泄漏。经检查,裂纹主要发生在相继发生泄漏。经检查,裂纹主要发生在高温端水侧管子与管板结合部位。所用冷高温端水侧管子与管板结合部位。所用冷却水含氯化物却水含氯化物0.0020.002%0.0040.004%。18换热器中造成氯化物浓缩的原因:u缝隙 管与管板连接形成的缝隙区。由于闭塞条件 使物质迁移困难,容易形成盐垢,造成氯离 子浓度增高。u汽化 高温端冷却水强烈汽化,在缝隙区形成水垢 使氯化物浓缩。对立式换热器尤为严重。19解决办法解决办法 改进管与管板的联接结构,消除缝隙。立式换热器的结构改进,提高壳程水位,使管束 完全被水浸没。管板采用不锈钢碳
11、钢复合板,以碳钢为牺牲阳极 20实例4:一高压釜用一高压釜用1818-8 8不锈钢制造,釜外用碳钢夹不锈钢制造,釜外用碳钢夹套通水冷却。冷却水为优质自来水,含氯化物量很套通水冷却。冷却水为优质自来水,含氯化物量很低。高压釜进行间歇操作,每次使用后,将夹套中的低。高压釜进行间歇操作,每次使用后,将夹套中的水排放掉。仅操作了几次,高压釜体外表面上形成大水排放掉。仅操作了几次,高压釜体外表面上形成大量裂纹。量裂纹。21二、腐蚀疲劳二、腐蚀疲劳1.1.腐蚀疲劳的概念腐蚀疲劳的概念u金属材料在金属材料在循环应力或脉动应力循环应力或脉动应力和腐蚀介质的联合作和腐蚀介质的联合作用下,所引起的腐蚀。用下,所引
12、起的腐蚀。(注意与注意与疲劳断裂疲劳断裂的区别的区别)u 产生的条件:产生的条件:变应力变应力+腐蚀性介质腐蚀性介质u 特征:特征:表面容易观察到有表面容易观察到有短而粗的裂缝群短而粗的裂缝群。裂缝多为。裂缝多为 穿晶型,穿晶型,只有主干,没有分支只有主干,没有分支。裂缝前缘较。裂缝前缘较 “钝钝”,断口大部分有腐蚀产物覆盖,小部分,断口大部分有腐蚀产物覆盖,小部分断断 口较为光滑,呈脆性断裂。口较为光滑,呈脆性断裂。222.腐蚀疲劳的机理 一般认为是一般认为是力学力学电化学过程电化学过程,金属在交变应力,金属在交变应力的作用下,结晶结构发生位错、滑移,滑移面上的金的作用下,结晶结构发生位错、
13、滑移,滑移面上的金属原子具有较高的自由能,成为阳极,在交变应力和属原子具有较高的自由能,成为阳极,在交变应力和介质的联合作用下,产生裂纹并不断扩展。介质的联合作用下,产生裂纹并不断扩展。3.腐蚀疲劳影响因素 介质的介质的pH值值、含氧量含氧量、温度温度、变负荷的性质变负荷的性质 一般随一般随pH值减小,含氧量增高,温度上升,腐蚀值减小,含氧量增高,温度上升,腐蚀疲劳寿命降低。交变应力影响最大疲劳寿命降低。交变应力影响最大。4.防护措施:最好降低构件应力值;加缓蚀剂;阴极最好降低构件应力值;加缓蚀剂;阴极保护等保护等。23腐蚀疲劳实例腐蚀疲劳实例 某钢铁厂用于废水处理的间某钢铁厂用于废水处理的间
14、歇反应器为歇反应器为哈氏合金哈氏合金B-2制造,制造,反应器为圆筒形罐体,椭圆形封反应器为圆筒形罐体,椭圆形封头,支座为普通结构钢。为避免头,支座为普通结构钢。为避免在哈氏合金本体上异材焊接,在在哈氏合金本体上异材焊接,在支座与下封头焊接处增设支座与下封头焊接处增设哈氏合哈氏合金金B-2过渡圈(过渡圈(10mm)。介质)。介质为蒸汽和为蒸汽和1%含氟泥浆水,腐蚀含氟泥浆水,腐蚀性较强。投产后经常泄漏,经检性较强。投产后经常泄漏,经检查,裂缝主要发生在下环缝。查,裂缝主要发生在下环缝。下环缝下环缝中环缝中环缝注:哈氏合金哈氏合金B-200Ni70Mo2824三、磨损腐蚀(冲刷腐蚀)1.1.磨损腐
15、蚀的概念磨损腐蚀的概念 腐蚀性流体与金属以较高速度做相对运动而引起腐蚀性流体与金属以较高速度做相对运动而引起金属的腐蚀损坏,简称磨蚀。金属的腐蚀损坏,简称磨蚀。尤其当流体中含有固体颗粒时,会更加剧破坏尤其当流体中含有固体颗粒时,会更加剧破坏。2.2.产生的条件:产生的条件:腐蚀性介质腐蚀性介质+高速相对运动高速相对运动 如:叶轮、涡轮、搅拌器、离心机刮刀、换热器如:叶轮、涡轮、搅拌器、离心机刮刀、换热器入口管及对应管束、弯管及弯头等。入口管及对应管束、弯管及弯头等。(讲解)(讲解)(讲解)(讲解)253.3.磨蚀的表现形式磨蚀的表现形式-湍流腐蚀湍流腐蚀和和空空泡腐蚀泡腐蚀u 湍流腐蚀湍流腐蚀
16、 流体处于湍流状态。一方面高速流体击穿层流底流体处于湍流状态。一方面高速流体击穿层流底层加速了去极化作用;另一方面高速流体对金属表面层加速了去极化作用;另一方面高速流体对金属表面产生附加剪力,不断冲落金属表面的腐蚀产物,加速产生附加剪力,不断冲落金属表面的腐蚀产物,加速腐蚀过程。腐蚀过程。金属表面呈现深谷、马蹄形凹槽,表面光滑,而金属表面呈现深谷、马蹄形凹槽,表面光滑,而且可根据蚀坑形态判断流体的流动方向。且可根据蚀坑形态判断流体的流动方向。26衬管尾部纵截面速度矢量图衬管尾部纵截面速度矢量图加氢裂化空冷器管束失效的计算加氢裂化空冷器管束失效的计算衬管尾部衬管尾部27换热管底面剪应力分布图28
17、u空泡腐蚀空泡腐蚀 流体与金属构件作高速相对运动,在金属表面局流体与金属构件作高速相对运动,在金属表面局部地区产生涡流,伴随有气泡在金属表面迅速生成和部地区产生涡流,伴随有气泡在金属表面迅速生成和破灭所引起的金属破坏。又称破灭所引起的金属破坏。又称汽蚀汽蚀。(注意和。(注意和气缚气缚的的区别)区别)空泡腐蚀的空泡腐蚀的伯努利方程伯努利方程解释。解释。294.4.磨蚀的控制磨蚀的控制 合理的结构设计,尽量避免产生涡流、湍流。合理的结构设计,尽量避免产生涡流、湍流。选择能形成保护性好的表面膜的材料以及提高材料选择能形成保护性好的表面膜的材料以及提高材料 的硬度。的硬度。不妨碍工艺条件的情况下,采用
18、加大管径的设计,不妨碍工艺条件的情况下,采用加大管径的设计,使流速降低,减缓冲刷。使流速降低,减缓冲刷。在构件上采用耐磨、耐冲击、粘结力强的涂层。在构件上采用耐磨、耐冲击、粘结力强的涂层。30磨损腐蚀实例磨损腐蚀实例 一条碳钢管道输送98%浓硫酸,原来的流速为0.6m/s,输送时间需1小时。为了缩短输送时间,安装了一台大马力的泵,流速增加到1.52m/s,输送时间只需要15分钟。但管道在不到一周时间内就破坏了。31 高压聚乙烯车间反应器高压聚乙烯车间反应器R4240及产品冷却器及产品冷却器E4219,在运行过程中出现多处夹套水泄漏现象,在运行过程中出现多处夹套水泄漏现象,2004年年10月出现
19、多月出现多处夹套水泄漏现象后,停车对夹套泄漏点周边处夹套水泄漏现象后,停车对夹套泄漏点周边1米范围进行米范围进行了超探检查,发现夹套进口处内侧的夹套壁厚由了超探检查,发现夹套进口处内侧的夹套壁厚由8mm减小减小到到3mm左右,夹套其他位置的壁厚减小至左右,夹套其他位置的壁厚减小至7.3mm左右(见左右(见图图A中夹套泄漏点)。中夹套泄漏点)。32由于入水处死角内的水过热造成了局部汽化,由于入水处死角内的水过热造成了局部汽化,引起汽蚀冲刷减薄引起汽蚀冲刷减薄 33 表面状态表面状态主要指:主要指:金属表面质量金属表面质量,如碰撞造成的如碰撞造成的凹面,加工造成的划痕及表面的气孔和裂纹等;还包凹面
20、,加工造成的划痕及表面的气孔和裂纹等;还包括括表面膜的缺陷和破损表面膜的缺陷和破损。几何因素几何因素指:不合理的几何形状设计指:不合理的几何形状设计。一、孔蚀一、孔蚀1.1.孔蚀的概念孔蚀的概念 在金属表面的局部地区,出现向深处发展的腐蚀在金属表面的局部地区,出现向深处发展的腐蚀小孔,其余地区不腐蚀或腐蚀很轻微,这种腐蚀状态小孔,其余地区不腐蚀或腐蚀很轻微,这种腐蚀状态称为孔蚀,也叫点蚀。称为孔蚀,也叫点蚀。第二节 表面状态与几何因素34金属发生孔蚀的特征金属发生孔蚀的特征:蚀孔小,一般直径只有几十微米,蚀孔深,它:蚀孔小,一般直径只有几十微米,蚀孔深,它在金属表面的分布,有些分散有些密集。孔
21、口多数有腐蚀产物覆盖。在金属表面的分布,有些分散有些密集。孔口多数有腐蚀产物覆盖。35 蚀孔通常沿着重力方向或横向发展,一块平放在蚀孔通常沿着重力方向或横向发展,一块平放在介质中的金属,介质中的金属,蚀孔多在朝上的表面出现蚀孔多在朝上的表面出现。蚀孔一旦。蚀孔一旦形成,具有形成,具有“深挖深挖”的动力。的动力。2.2.孔蚀的机理孔蚀的机理 易钝化金属在含有活性阴离子的介质中,如易钝化金属在含有活性阴离子的介质中,如Cl Cl-,最易发生孔蚀。孔蚀过程分为蚀孔的形成与成长两个最易发生孔蚀。孔蚀过程分为蚀孔的形成与成长两个阶段。下面以阶段。下面以18-818-8钢在充气的钢在充气的NaClNaCl
22、溶液中的腐蚀为例。溶液中的腐蚀为例。36介质中活介质中活性阴离子性阴离子钝化膜溶解修钝化膜溶解修复失去平衡复失去平衡Cl-优先选择吸附在钝化膜上形成可溶形成可溶性氯化物性氯化物形成坑形成坑-蚀核蚀核蚀核长大蚀核长大37 在蚀核长大所形成的在蚀核长大所形成的蚀孔内,金属处于活性,蚀孔内,金属处于活性,电位较负,而蚀孔外金属电位较负,而蚀孔外金属为钝态,电位较正,形成为钝态,电位较正,形成微电池。电池反应为:微电池。电池反应为:蚀孔面积小蚀孔面积小腐蚀电流大腐蚀电流大腐蚀速度快腐蚀速度快38蚀孔封闭,孔内介质处于蚀孔封闭,孔内介质处于滞留状态,造成蚀孔内金滞留状态,造成蚀孔内金属离子浓度骤增,在静
23、电属离子浓度骤增,在静电作用下,作用下,Cl-就会进入孔就会进入孔内与金属离子形成了氯化内与金属离子形成了氯化物物,水解显酸性,促进金属水解显酸性,促进金属阳极溶解速度加快。所形阳极溶解速度加快。所形成的二次产物堆积在蚀孔成的二次产物堆积在蚀孔口处,形成封闭电池。而口处,形成封闭电池。而Cl-可自由进入孔内,使可自由进入孔内,使酸度加强,进一步加剧阳酸度加强,进一步加剧阳极溶解速度。极溶解速度。自催化腐自催化腐蚀蚀393.3.孔蚀的控制孔蚀的控制 尽量降低有害杂质的含量尽量降低有害杂质的含量 采用抗孔蚀材料采用抗孔蚀材料 改善热处理,减少金相缺陷和析出改善热处理,减少金相缺陷和析出 尽量降低介
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