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1、钢的腐蚀、磨损失效及其分析方法,上海材料研究所耐蚀材料与环境敏感断裂试验室,郑文龙,钢的腐蚀失效,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,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做过系统的调查和统计，但腐蚀现象的严重已相当惊人的：1979年某燃气公司的液化气厂的400M2液化气罐因腐蚀开裂所爆炸，当场炸死30余人，重伤50多人，仅1次损失650万元。70年代随着石
2、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和叶片发生开裂事故，这样的例子不胜枚举。目前我国每年腐蚀掉的钢材已超过500万吨。,金属腐蚀的分类,按机理 电化学腐蚀 非电化学腐蚀按形态均匀腐蚀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,均 匀 腐 蚀General Corrosion,发生腐蚀的基本条件,腐蚀特征,防止措施,电 偶 腐 蚀Galvanic Corro
3、sion,电偶序及影响因素,腐蚀特征,防止措施,大阴极/小阳极不同金属直接联接绝缘、涂料、缓蚀剂,缝 隙 腐 蚀Crevice Corrosion,发生腐蚀的基本条件,腐蚀特征,防止措施,点 腐 蚀Pitting Corrosion,发生腐蚀的基本条件,腐蚀特征,防止措施,晶 间 腐 蚀Intergranular Corrosion,发生腐蚀的基本条件,腐蚀特征,防止措施,选 择 性 腐 蚀Selective Corrosion,发生腐蚀的基本条件,常见腐蚀形式： 黄铜脱锌 石墨化腐蚀 高温氧化及熔融盐腐蚀,磨 耗 腐 蚀Erosion Corrosion,发生腐蚀的基本条件 两种特殊形式 气
4、蚀 微动磨损腐蚀,腐蚀特征,防止措施 选择耐磨蚀材料 合理设计 改变环境 涂层 阴极保护,应力腐蚀开裂Stress Corrosion Cracking,发生腐蚀的基本条件,腐蚀特征,防止措施,腐 蚀 疲 劳Corrosion Fatigue,发生腐蚀的基本条件,腐蚀特征,防止措施,氢 损 伤Hydrogen Damage,发生腐蚀的基本条件 氢腐蚀、氢脆、脱碳、氢鼓泡,化学工业中各类腐蚀损坏所占的比例,磨损失效,构件与其摩擦副摩擦过程产生的失效行为,典型的磨损过程,粘着磨损Adhesive Wear,磨粒磨损Abrasive Wear,腐蚀磨损Corrosion Wear,B,A,微动磨损F
5、retting 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Impact and Cavitation Erosion,B,A,疲劳磨损Fatigue Corrosion,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、磨损失效研究分析的手段和方法,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,失效分析步骤,失效构件
6、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、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-
7、 测定为40ppm）；温度：110150压力：0.020.15MPa,炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析,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,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
8、分析,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,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,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。,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,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,打开裂纹后膨胀节的断口 左下角为老
9、断口,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,裂纹开裂源处的放大形貌,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,开裂源处的断口形貌该图是典型的脆性疲劳特征,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,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,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,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,断口源处的腐蚀产物腐蚀产物中有更高的Cl、S,炼油
10、厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析,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,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）。,炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析,讨论,腐蚀产物 主要是S、Cl，裂纹中的Cl更高。开裂环境应力、介质、温度开裂过程点蚀腐蚀疲劳开裂应力腐蚀开裂,炼油厂常压塔塔顶304SS传油线膨胀节开裂原因分析,讨论,经验304SS在110120对H2S的SCC开裂不敏感304SS对Cl-的SCC开裂敏感,结论,304SS膨胀节的开裂主要是由于Cl-引起的点蚀腐蚀疲劳应力腐蚀开裂。或称应力腐蚀疲劳开裂,
