钢的腐蚀原因及分析

1、钢的腐蚀、磨损失效钢的腐蚀、磨损失效及其分析方法及其分析方法上海材料研究所耐蚀材料与环境敏感断裂试验室郑文龙郑文龙钢的腐蚀失效钢的腐蚀失效金属与环境介质之间的化学金属与环境介质之间的化学或电化学作用而引起的变质或电化学作用而引起的变质或破坏过程称为金属的腐蚀或破坏过程称为金属的腐蚀金属腐蚀破坏所见到的统计报道： 1922年，15亿美元/年 1937年，760公斤的铁/5秒 1975年，700亿美元/年直接损失间接损失？世界有关国家对腐蚀造成经济损失的统计世界有关国家对腐蚀造成经济损失的统计国别国别统计时间统计时间损失金额损失金额（亿美元）（亿美元）占国民经占国民经济收入济收入G.N.PG.N.

2、P（% %）美国194919661973197519865510015070017004.2 英国1957196912.527.53.5日本194919741.19212西德1969197652.396.3加拿大197510澳大利亚19734.71.5瑞典19754荷兰19680.7前苏联19879071059我国因腐蚀造成经济损失我国因腐蚀造成经济损失 我国虽然没有就腐蚀所引起的损失我国虽然没有就腐蚀所引起的损失做过系统的调查和统计，但腐蚀现象做过系统的调查和统计，但腐蚀现象的严重已相当惊人的：的严重已相当惊人的：19791979年某燃气年某燃气公司的液化气厂的公司的液化气厂的400M240

3、0M2液化气罐因液化气罐因腐蚀开裂所爆炸，当场炸死腐蚀开裂所爆炸，当场炸死3030余人，余人，重伤重伤5050多人，仅多人，仅1 1次损失次损失650650万元。万元。7070年代随着石油气田的开发，某气田由年代随着石油气田的开发，某气田由于天然气中硫化氢腐蚀造成设备突然于天然气中硫化氢腐蚀造成设备突然破坏，引起天然气的井喷，发生重大破坏，引起天然气的井喷，发生重大的火灾事故，其损失不可估量；汽轮的火灾事故，其损失不可估量；汽轮发电机的叶轮应力腐蚀开裂而飞裂，发电机的叶轮应力腐蚀开裂而飞裂，造成重大事故，且现在还有许多叶轮造成重大事故，且现在还有许多叶轮和叶片发生开裂事故，这样的例子不和叶片发

4、生开裂事故，这样的例子不胜枚举。目前我国每年腐蚀掉的钢材胜枚举。目前我国每年腐蚀掉的钢材已超过已超过500500万吨。万吨。金属腐蚀的分类金属腐蚀的分类 按机理按机理v 电化学腐蚀v 非电化学腐蚀 按形态按形态v 均匀腐蚀v 局部腐蚀点蚀缝隙腐蚀电偶腐蚀晶间腐蚀应力腐蚀氢脆、氢致开裂、氢鼓泡和氢蚀疲劳腐蚀选择性腐蚀美国杜邦公司因各类腐蚀引起的685起事故的统计破坏形式比例，%1968196919701971累计平均机械破坏总和39.543.547.545.244.8破坏形式气蚀1.00.50.00.00.13冷壁腐蚀1.01.00.00.00.4腐蚀疲劳0.01.42.71.71.5引力腐蚀1

5、3.111.511.515.513.1缝隙腐蚀1.11.00.90.70.9脱合金腐蚀0.01.00.50.70.6材质不当1.00.50.00.70.4磨损腐蚀6.13.33.24.23.8微动磨损1.00.00.50.00.3均匀腐蚀18.118.115.29.215.2电偶腐蚀0.00.01.40.40.4石墨化腐蚀0.00.00.00.70.1高温腐蚀0.01.91.41.31.3热壁腐蚀1.00.00.00.00.1氢鼓泡0.00.00.50.00.1氢脆断裂0.00.50.50.70.4晶间腐蚀7.15.12.79.25.6点腐蚀10.18.68.84.27.9焊接腐蚀0.01.9

6、1.86.32.5总和65.556.552.154.855.2均均 匀匀 腐腐 蚀蚀General Corrosion发生腐蚀的基本条件发生腐蚀的基本条件腐蚀特征腐蚀特征防止措施防止措施电电 偶偶 腐腐 蚀蚀Galvanic Corrosion电偶序及影响因素电偶序及影响因素腐蚀特征腐蚀特征防止措施防止措施大阴极大阴极/小阳极小阳极不同金属直接联接不同金属直接联接绝缘、涂料、缓蚀剂绝缘、涂料、缓蚀剂缝缝 隙隙 腐腐 蚀蚀Crevice Corrosion发生腐蚀的基本条件发生腐蚀的基本条件腐蚀特征腐蚀特征防止措施防止措施点点 腐腐 蚀蚀Pitting Corrosion发生腐蚀的基本条件发生腐

7、蚀的基本条件腐蚀特征腐蚀特征防止措施防止措施晶晶 间间 腐腐 蚀蚀Intergranular Corrosion发生腐蚀的基本条件发生腐蚀的基本条件腐蚀特征腐蚀特征防止措施防止措施选选 择择 性性 腐腐 蚀蚀Selective Corrosion发生腐蚀的基本条件发生腐蚀的基本条件常见腐蚀形式：常见腐蚀形式： 黄铜脱锌黄铜脱锌 石墨化腐蚀石墨化腐蚀 高温氧化及熔融盐腐蚀高温氧化及熔融盐腐蚀磨磨 耗耗 腐腐 蚀蚀Erosion Corrosion发生腐蚀的基本条件发生腐蚀的基本条件 两种特殊形式两种特殊形式 气蚀气蚀 微动磨损腐蚀微动磨损腐蚀腐蚀特征腐蚀特征防止措施防止措施 选择耐磨蚀材料选择耐

8、磨蚀材料 合理设计合理设计 改变环境改变环境 涂层涂层 阴极保护阴极保护应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂Stress Corrosion Cracking发生腐蚀的基本条件发生腐蚀的基本条件腐蚀特征腐蚀特征防止措施防止措施腐腐 蚀蚀 疲疲 劳劳Corrosion Fatigue发生腐蚀的基本条件发生腐蚀的基本条件腐蚀特征腐蚀特征防止措施防止措施氢氢 损损 伤伤Hydrogen Damage发生腐蚀的基本条件发生腐蚀的基本条件 氢腐蚀、氢脆、脱碳、氢鼓泡氢腐蚀、氢脆、脱碳、氢鼓泡化学工业中各类腐蚀化学工业中各类腐蚀损坏所占的比例损坏所占的比例CF10%一般腐蚀30%复合型腐蚀15%穿晶型S C C17%

9、沿晶型S C C6%HE2%HA1%点蚀5%晶间腐蚀4%腐蚀6%高温腐蚀3%其它腐蚀1%磨损失效磨损失效构件与其摩擦副摩擦过程产构件与其摩擦副摩擦过程产生的失效行为生的失效行为典型的磨损过程典型的磨损过程磨损表磨损表载体及载体及磨损表磨损表载体及载体及磨损表磨损表载体及载体及面运动面运动 粒子运动粒子运动面运动面运动 粒子运动粒子运动面运动面运动 粒子运动粒子运动固相固相液相液相气相气相载体载体单相磨损单相磨损多相磨损多相磨损固相粒子固相粒子液相粒子液相粒子气（汽）相粒子气（汽）相粒子粘着磨损粘着磨损Adhesive WearAB磨粒磨损磨粒磨损Abrasive Wear基体AB腐蚀磨损腐蚀磨

10、损Corrosion WearBA微动磨损微动磨损Fretting Wear微动磨损的三个特点：不规则的切向振动使接触部分产生滑移；磨屑裹夹在相互接触的两摩擦面间；循环应力作用产生疲劳裂纹核心。冲蚀和气蚀冲蚀和气蚀Impact and Cavitation ErosionBAPP疲劳磨损疲劳磨损Fatigue CorrosionRRP接触应力p = 2P（2-x2）1/2/（2）平面接触区半宽度= 4PR（1-2）/（E ）圆柱体内部最大剪应力max =（x-z）2+42xz）1/2/2最大剪应力位于接触表面下部0.67处，此处易形成裂纹核心腐蚀、磨损失效腐蚀、磨损失效研究分析的手段和方法研究

11、分析的手段和方法分析方法 最大穿透深度，nm分辨率，nm磨损失效应用备注Auger电子谱 0.11.55金属转移，表面积聚物 在真空中分析 K射线光电子谱 1.5 7.55 m润滑剂反应产物化学分析 在真空中分析椭圆仪 400 5001mm透明固体膜厚度 在空气中分析Roman谱 400 50010有机膜厚度及化学分析 在空气中分析Rutherford背散射 2m10表面膜厚度及成分 二次离子质谱 溅射0.55 m表面化学分析 在真空中分析 在线扫描电镜磨损试验装置 5不断变化的磨损表面显微结构及转移膜的元素分析 在真空中分析光学显微镜200磨损形貌的特性及尺寸，表面膜颜色Normaski织构

12、 在空气中分析Fourier转换红外光谱 2000nm2000有机表面膜化学；高分子材料转移和边界润滑 在空气中分析原子力显微镜0.1原子水平的摩擦力，原子水平的表面租糙度 表面轮廓仪0.125m用触针法测量表面粗糙度，加工表面和磨损表面的微观形貌 磨损失效研究的表面分析工具腐蚀失效研究的表面分析工具仪器用途X射线衍射仪腐蚀产物的物相电子探针腐蚀产物的元素及相对含量俄歇电子能谱仪表面产物的元素及价态穆斯堡尔示谱仪腐蚀产物价态红外吸收光谱仪有机产物分析失效分析步骤失效构件的现场调查宏观分析（材质、成型过程、热处理、力学性能、失效形态） 微观分析（组织形貌、开裂机理） 表面产物分析（腐蚀产物类型、

13、组成及反应过程） 失效类型的确定 重演性试验验证腐蚀、磨损失效腐蚀、磨损失效实例分析实例分析炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析概况： 挥发线水平放置膨胀节采用2mm厚的304不锈钢纵向拼焊制造，经约10个月的运行发生开裂，开裂发生在水平下方内壁，裂纹有数十条，长度在30mm之内。部分裂纹已穿透管壁，裂纹开裂宽度达1mm。所有裂纹平行于膨胀节轴线，为纵向裂纹，主要分布在膨胀节的波谷内壁。内壁上有0.5mm以下的点蚀坑运行条件：介质：油 +汽（含有Cl-、H2S，冷凝水Cl- 测定为40ppm）；温度：110150压力：0.020.15MPa炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开

14、裂原因分析已有结论已有结论磁性检查：膨胀节在成型中部分形成了马氏体。金相检查：裂纹呈穿晶扩展，有分叉，不象奥氏体不锈钢Cl-中的SCC裂纹分支分叉典型断口分析：穿晶解理断口，有明显鸡爪形发纹，即与氢致开裂机理有关。腐蚀产物能谱分析：硫元素占重量的2.13%，未测出氯元素初步结论：硫化氢与水引起的湿硫化氢应力腐蚀开裂炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析宏观分析宏观分析膨胀节谷底开裂宏观形貌 开裂从膨胀节波纹管的内壁谷底开始，为纵向裂纹炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析宏观形貌宏观形貌内壁出现的点腐蚀炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析宏观形貌宏观形貌内

15、壁出现的点腐蚀炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析裂纹形态及扩展途径裂纹形态及扩展途径裂纹的轴向截面形貌 裂纹从点蚀坑开始，起始裂纹有一段较直，后出现分叉。点蚀坑炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析裂纹形态及扩展途径裂纹形态及扩展途径裂纹的扩展途径 裂纹起始没有分叉，为穿晶裂纹；后裂纹出现穿晶分叉。炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析断口的扫描电镜观察断口的扫描电镜观察膨胀节内壁裂纹与腐蚀坑 炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析断口的扫描电镜观察断口的扫描电镜观察打开裂纹后膨胀节的断口 左下角为老断口 炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀

16、节开裂原因分析断口的扫描电镜观察断口的扫描电镜观察裂纹开裂源处的放大形貌起源处炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析断口的扫描电镜观察断口的扫描电镜观察开裂源处的断口形貌该图是典型的脆性疲劳特征 平行辉纹二次裂纹裂纹扩展方向炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析断口的扫描电镜观察断口的扫描电镜观察扩展区中的解理台阶及二次裂纹炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析断口的扫描电镜观察断口的扫描电镜观察扩展区中的解理刻面及台阶炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析断口上的产物分析断口上的产物分析膨胀节表面泥状腐蚀产物腐蚀产物中有Cl、S 断口上的产物分析断口上的产物分析断口源处的腐蚀产物腐蚀产物中有更高的Cl、S 炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析讨论讨论开裂位置水平管道的下部，此处有积水（Cl-富集，H2S溶解；该处变形较严重，有高的残余应力。炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析讨论讨论开裂形貌开裂形貌裂纹截面：点蚀坑穿晶裂纹分叉裂纹解理 + 二次裂纹；断口观察：点蚀坑（0.0300.050mm）解理 + 平行的疲劳辉纹 + 二次裂纹（0.50.6mm）解理台阶 + 二次裂纹（12mm）。炼油厂