不鏽鋼耐蝕設計以及局部腐蝕原因和解決辦法
不鏽鋼耐蝕設計以及局部腐蝕原因和解決辦法
腐蝕是金屬的三大主要失效方式之一。在較爲苛刻的環境常常選用不鏽鋼來抑制金屬的腐蝕。然而，即使選用了不鏽鋼，構件在某些情況下仍然會發生腐蝕。
對於含鉻鎳的不鏽鋼材料來說，腐蝕有兩種主要形式：一種是均勻腐蝕，另一種是局部腐蝕。在海洋大氣中的鐵鏽就是一種一般或均勻腐蝕的典型例子。此處金屬在其整個表面上均勻地被腐蝕。在這種情況下，鋼表面形成疏鬆層，這層腐蝕產物很容易去除。均勻腐蝕是一種最容易處理的腐蝕形式，因爲可以定量地確定金屬的腐蝕率並可精確地預測金屬的使用壽命。因此，均勻腐蝕是一種遭受詬病最小的腐蝕形式。它雖然帶來腐蝕破壞，但可預測也可控制。
然而，局部腐蝕的發生經常令人措手不及。這是因爲，局部腐蝕引起的破壞是很難預測的，設備的壽命也不能精確地計算。其中最討厭的點蝕，它是金屬局部腐蝕中最難對付的一種。因爲千里之堤，潰於蟻穴。這所謂的點蝕，就是千里之堤上的蟻穴。
在金屬發生腐蝕的過程中，會同時在電極上發生兩種反應，一種是陰極反應，在陰極上非金屬被還原，非金屬得電子，化合價降低。另一種是陽極反應，陽極反應發生時，金屬失去電子，化合價上升，金屬離子從金屬表面脫離。金屬的腐蝕取決於腐蝕阻力最大的反應。因此，這也爲解決金屬腐蝕問題提供了一個主要指導思想。
利用陰極和陽極關係進行的耐蝕設計如果某一大的陰極面與某一小的陽極面相連接時，陽極和陰極之間即會產生大的電流流動。這種情況必須避免。另一方面，當我們將情況顛倒一下，即讓某一大的陽極面與小的陰極面相連接時，兩種金屬之間則會產生小的電流流動。這種情況是我們所期望的。我們將位於某一容器或槽中的焊接金屬接點設計爲陰極。
緊固件裝置是這樣設計的，即將陰極緊固件（小面積）與陽極件（大面積）連接在一起。此概念的例子是將鋼板用銅鉚釘鉚接在一起並暴露在流動速度低的海水中。銅質固定件爲小的陰極面，而鋼板爲大的陽極面。這種設計是非常便利的，而且可產生良好的相容性。
點蝕問題點蝕在金屬表面沒有縫隙出現的情況下也可以產生。點蝕的發生可能來自於兩方面因素：環境中的氯離子和微觀組織或成分的不均勻性。特殊的腐蝕劑如氯化物的濃度達到一定程度後會造成不鏽鋼的點蝕。如果因爲敏化等原因導致不鏽鋼中微觀組織不均勻或鉻、鎳含量不均勻，甚至達不到抗點蝕的能力時，也會發生點蝕。金屬表面上的缺陷也會引起點蝕。
例如，在不鏽鋼或鎳合金保護性氧化層中的某個缺陷。點蝕可通過採用抗腐蝕能力高的合金或消除引起點蝕的化學元素的方法來防止。控制金屬點蝕的另一個方面是消除環境介質中的陰極反應物，通常除氧會有較好的效果。隨着坑的底部趨於陽極化，坑或縫隙的周圍區趨於陰極化，於是電池電流的關係即被形成。當坑或縫隙中的腐蝕進一步擴展時，則變爲自催化反應。三價鐵離子與氯離子作用形成氯化鐵。該反應不斷重複並快速產生金屬穿孔現象。點蝕或縫隙腐蝕是一種非常危險的腐蝕形式，因爲它高度局部化並能快速造成金屬的穿透破壞。
正好在沉澱物下面或縫隙內，溶液中的氧含量是低的，在縫隙的外面大量溶液中的氧含量很高，這就建立了一個電池，其沉澱物下或縫隙中是陽極而其外面是陰極。含氯化物介質的縫隙的內部，pH 值下降而氯化物濃集。這種酸性氯化物條件導致腐蝕加快並且是自動起媒介作用的。接着便發生了嚴重的局部腐蝕。這種腐蝕形式的例子：當一個不鏽鋼緊固件放置在一塊不鏽鋼鋼板上並暴露於含氯化物的水中時產生。縫隙腐蝕可以在螺栓頭或墊圈作爲陽極區時發生。防止沉澱物和結垢生成或使用高合金含量的材料將有助於減少縫隙腐蝕。
剝落腐蝕在此情況下，金屬表面上形成疏鬆、片狀的腐蝕層。即使低速流動也會將腐蝕物的疏鬆層很容易地除去。於是，新的未腐蝕的金屬又被暴露出來，從而將形成許多另外的片狀層。再一次重複，這些片狀層被很容易地除去並且過程在繼續進行着。使用不易起化學反應的合金可以避免剝落腐蝕。
金屬層剝落示意圖
縫隙腐蝕示意圖
晶間腐蝕出現於某些特殊的合金中，通常當它們在焊接或熱處理期間加熱到其敏感溫度區時即可能會發生晶間腐蝕。當諸如某些不鏽鋼合金加熱到425～870℃時，鉻的碳化物即會在晶粒邊界析出。導致碳化物附近出現貧鉻區同時影響晶界區的鈍化性。在特殊介質中，如硝酸或高溫水中，可能出現低鉻區的溶蝕現象。晶粒是以一種砂糖似的表面出現的，當用一取樣器擦過時，它們很容易被擦掉。不鏽鋼和鎳合金的晶間腐蝕可以通過採用低碳合金、加入碳化物形成元素如鈦或鈮，或利用穩定化退火來使之避免。
一個典型例子是一條由AISI 316 型不鏽鋼（UNS S31600）製成的絕熱蒸汽管線。絕熱材料中可能存在的氯化物當其受到雨淋時即可轉移到金屬表面。這種情況滿足了應力腐蝕裂紋的產生條件：一種敏感合金——316 型不鏽鋼；一種特殊腐蝕劑――含氯化物的水；以及應力——冷加工的或焊接的管道。如果通過裂紋區做一橫斷面金相檢查，將會觀察到典型的穿晶（跨過晶粒和晶界）和分支裂紋。這就是奧氏體不鏽鋼的典型氯化物應力腐蝕裂紋。消除上述三種中的任何一種條件即可防止應力腐蝕裂紋的產生。
應力腐蝕破裂
含氧量影響腐蝕通常，流入電廠的新鮮而清潔的水的腐蝕性並不很強。鋼在中性水中可以很好地進行工作，其腐蝕率直接與溶解的氧容量有關。即氧含量越多，則腐蝕率越高。鋼的腐蝕也與pH 值有關，pH 值高時，鋼的腐蝕率低。當pH值降至4以下時，鋼即會產生快速腐蝕。
溫度也會加速鋼的腐蝕當溫度由72℉升高至104℉（22~41℃）時即對鋼的腐蝕率產生直接影響。流速對鋼的腐蝕產生相反的影響。當海水的流速高於約每秒3 英尺（0.9 米/秒）時，鋼的腐蝕會大大加快。對某一無保護的腐蝕物進行機械清除將會導致高的腐蝕率，因爲腐蝕物的清除暴露出腐蝕率很高的新金屬。同時高的流速會將大量的氧帶到金屬的裸露表面。因此，有更多的氧促使腐蝕率升高。
如果奧氏體不鏽鋼由於應力腐蝕裂紋而斷裂，應考慮的替代材料則是雙相不鏽鋼。由於其組織和成分的不同，它們與316型不鏽鋼比較可以在室溫一直到600℉（315℃）的條件下具有較高的機械性能。它們還具有更高的抗應力腐蝕裂紋性能。雙相合金通過增加鉻和鉬含量可獲得更高的抗點蝕和縫隙腐蝕性能。
氯化物濃度對不鏽鋼腐蝕的影響當在新水中使用304或304L不鏽鋼時，氯化物含量應小於200ppm。構件製造好以後，必須去掉殘留鐵。因爲殘留鐵將起到像縫隙部位一樣的作用，它也會通過與氯化物反應形成氯化鐵從而加速局部腐蝕。304 管道需定期進行清洗以去除可形成縫隙的沉澱物或沉積物。應避免將304或304L製造的工廠設備暴露於不流動的水中（例如，流速小於0.9 米/秒），因爲這樣會在金屬表面上形成沉積物。微生物腐蝕也必須進行控制。
爲了在稍鹹的水中成功地使用316L型不鏽鋼，氯化物含量應小於1000ppm，除非水已完全脫氧。脫氧水會阻止316L型不鏽鋼的點蝕、縫隙和應力腐蝕。在工廠設備製作過程中，焊縫應完全焊透並且光滑，這樣才能獲得最佳的防腐蝕效果。應使用含鉬較高的或與焊接物相匹配的焊條。應像清理304型一樣清理316L型不鏽鋼的表面，將任何殘留鐵去除，這一點很重要。通常，去除殘留鐵最佳的方法是用HNO3—HF清洗劑。另外，任何沉積物也應定期進行清除。注意避免不流動的水的情況是很重要的。在設備停止工作期間，水的流速最小應爲0.9米/秒，以防止沉澱物的生成。
