超级奥氏体不锈钢的应力腐蚀

2021-09-08 15:47:36 作者：工业小南点来源：工业小南点分享至：

超级奥氏体不锈钢的应力腐蚀

01. 254SMO超级不锈钢

254SMO是高含Cr、Ni、Mo和N的高合金奥氏体不锈钢，是近30年来发展的新钢种，对其耐蚀特性研究还较少，但已明确其具有优良的抗全面腐蚀、抗多种介质的Cl-SCC、点蚀和缝隙腐蚀性能，在湿H2S环境下，也有良好的抗SCC性能。有良好的延展性和可焊性，其冷加工硬化倾向较S30408不锈钢要小，深度冷加工后，经完全退火处理可以提高抗SCC能力。为保证耐蚀性能，固溶热处理制度为最低1150℃保温，急冷，用作压力容器的适用温度为-60℃～400℃。在化学工业的过程设备、果汁和造纸的漂泊设备、燃气净化、海水处理和换热器上应用广泛[1]，较300系列不锈钢更具有耐全面腐蚀、SCC和点蚀能力，而较镍基合金更省钱。

254SMO为瑞典Avesta 和Outokumpu 牌号[1，2]，按ASTM A959 [3]牌号为S31254，GB/T 20878[4]牌号为015Cr20Ni18Mo6CuN。该材料目前有板、带、棒和管等，涉及到的标准除Avesta 的“Standard Cr-Ni-Mo Stainless Steels” [5]企业标准外，主要有ASTM A240/A240M[6]、ASTM A249/A249M[7]、ASTM A269[8]、SATM A270[9]、ASTM A276[10]、ASTM A312/A312M[11]、ASTM A479/A479M[12]和GB/T 20878[4]、 GB/T 3280[13]等。化学成分见表4-55。

表4-55 254SMO[1，6]不锈钢化学成分 mass%

Avesta等[1，2] 按ASTM G48标准在沸腾的42%（mass）MgCl2介质中对254SMO进行SCC试验，结果其焊接管较2205双相钢具有明显的优势，2205典型的的平均开裂时间为小于24h，而254SMO为200h。按ISO 15324[14]的SCC评价结果见图4-172，试验表明254SMO抗Cl-SCC性能明显优于S31608、2205、2507和904L。

载荷 Rp0.2%

图4-172 用DET法测量的不同材料临界应力值

文献[15] 研究认为，由于254SMO在600°C-1000°C热循环时，晶界无有害相析出，因此，即使是焊接接头也无晶间腐蚀风险。在3M NaCl溶液中对敏化态的254SMO进行SSRT试验，结果图4-173，表4-56为固溶态和敏化态254SMO在不同溶液中由阳极极化曲线获得的点蚀点位和耐蚀性能、SSRT试验测得的断面收缩率（εA/εI）比值、点蚀点位、抗拉强度和耐蚀性能。Cl-含量由1M增加到3M、或在3M NaCl溶液中pH值由6到2，断面收缩率没有显著改变，如果按εA/εI大于0.8，不存在SCC，则敏化态254SMO在3M NaCl、pH大于2的80℃溶液中不会发生SCC。但在pH小于1时，敏化态的254SMO的εA/εI为0.54，固溶态的为0.86。断口扫描电镜分析结果见图4-174、图4-175，结果表明敏化态的试样断裂为准解理扩展和二次裂纹，呈SCC特征；点蚀电位值显示，在3M NaCl中，pH值小于1时，材料呈活化态。研究结果表明，在强酸性条件下（pH＜1），80℃时敏化态的254SMO和C275、S31603一样具有晶间形SCC（IGSCC）危险，而固溶态的无SCC风险。

图4-173 敏化态254SMO在80℃的3M NaCl中pH值对应力和延伸率的影响

表 4-56 254SMO在80℃溶液中的（εA/εI）比值、Ep（Vs. EAg/AgCl）、Rm和耐蚀性能

图4-174 固溶态254SMO SSRT试验后

图4-175 敏化态254SMO SSRT试验后

由于254SMO的质量分数在6%以上，点蚀指数PRE（16N）为43，所以，与其他材料相比，点蚀倾向较小。因材料中的Cr、Mo和N含量较高，所以具有良好的抗缝隙腐蚀性能。Avesta[1]的研究结果，结果表明其抗点蚀和缝隙腐蚀性能大大优于300系列不锈钢和2205型双相不锈钢，与镍基合金接近。

文献[16]研究发现，按ASTM G150[17]电化学方法试验，采用药芯GTAW（gas tungsten arc welding）焊接，其焊接接头耐蚀性与母材相比，耐蚀性下降较小，而无药芯的焊接，导致其点蚀性能大大下降，见图4-176，这主要是因为焊接接头化学成分和金相组织不连续造成的。

ASTM G-150 临界点蚀温度试验

图4-176 S31603、254SMO和SAF2507焊接接头在ASTM G150中CTP试验结果

在湿H2S环境下，NACE MR0175 [18] 和Avesta 研究结果[1]允许254SMO在退火状态下和冷加工后硬度在35HRC以下使用。

02. 其他超级奥氏体不锈钢

a.Cronifer 1925 hMo-合金 926[19]

与合金904L具有类似化学成分的奥氏体不锈钢，是在Cronifer 1925 LC 的基础上提高了Mo、N含量研制而成，其N质量分数提高到了0.2%左右、Mo约为6.5%。N和Mo含量的提高显著增加Cronifer 1925 LC的性能，尤其是在卤化物介质中具有突出的耐局部腐蚀性能和极好的力学性能。出色的耐局部腐蚀性能加上25%（mass）的Ni含量使合金926 在Cl-介质中具有尤其突出的耐腐蚀性。在Cl-含量10×10-3～70×10-3、pH 值5～6、工作温度50～68℃的石灰石浆料的各种FGD（烟气脱硫装置）系统中的试验表明，经过1-2a的试验期，合金926 基本上没有发生点腐蚀、缝隙腐蚀和Cl-SCC。已获得应用于压力容器制造相关认证（VdTUV-196～400℃ 及 ASME 认证）。

b. AL-6XN合金

为高Ni（24%mass）-Mo（6.3%mass）超奥氏体不锈钢，它比标准的300系列合金对Cl-具有更高的抗点蚀、缝隙腐蚀和SCC能力，比传统的抗腐蚀镍基合金成本低，而且能提供比300奥氏体不锈钢更高的强度，因此经常应用于设备中较薄的部分。

c.URANUS? B6 and B6N[20]

为含20Cr-4.3Mo-1.5Cu和N的超级不锈钢，ASTM B625[21]牌号为UNS N 08904。具有优良的抗SCC、点蚀和缝隙腐蚀性能。该材料在天然气和海水处理、烟气脱硫、造纸漂白设备和高温高氯化物环境、含硫酸性环境下使用良好。

d.AL4565合金（UNS Designation S34565）（EN Designation 1.4565）[22]

为高含Cr、Mo和N的超级奥氏体不锈钢。由于其N含量高，所以较其他6Mo超级不锈钢有更高的强度和微观组织稳定性（抗σ相析出），有优异的抗点蚀、缝隙腐蚀、Cl-SCC和碱脆性能，焊接性能好，在高含氯环境，如污水处理、海洋油气设备和海水淡化设备上使用良好。

e.INCOLOY 25-6Mo[23]（UNS N08926/W. Nr.1.4529，前身为UNS N08925）[21，24，25]

ASME Code Case 2120 （Ni-Fe-Cr-Mo-Cu-Low Carbon alloy N08926）定义了它的化学成分，最大许用应力值和力学性能要求。它含有6%的Mo并通过添加N提高性能，高的Mo含量以及N使得它能够抗点蚀、缝隙腐蚀和SCC，含有的Cu能够提高它对硫酸的抗腐蚀性。该合金的PREN为47，比低Ni含量的S31708和双相钢明显要好的抗Cl-SCC性能，是一种经济实惠的抗强氯化物腐蚀的合金，材料在退火态下的较S31608、904L有更高的强度，有利于减小是设备壁厚，从而进一步减少设备发生SCC的风险。为ASME锅炉与压力容器代码认可的材料，特别适用于一些处理高氯化物的环境中，如盐水、海水、腐蚀性氯化物以及纸浆厂的漂白系统。它的应用包括化工和食物工程、纸浆和纸的漂白设备、海洋和近海石油平台设备、盐厂的蒸发器、大气污染控制系统、以及电厂的冷凝管道系统、循环水管道系统和供水加热器等。此外，在一些海洋和化工环境中该合金还可作为高镍合金的一种经济的替代品。

f.Allegheny Ludlum AL 904L? alloy[26]（UNS N08904[169]，URANUS B6[27]）

是中高合金的奥氏体不锈钢，Ni质量分数25%、Cr含量高，添加了Mo（4.5%mass）和Cu，C含量低，具有良好的抗SCC性能，抗点蚀性能优于S31608和S31708型不锈钢。

g.Avesta 654SMOR[28]（UNS32654[6]）

高Cr、Mo和N合金，在1150℃固溶退火处理可以得到完全奥氏体化的结构，没有普通不锈钢的氯化物点蚀和缝隙腐蚀问题，抗Cl-SCC性能优于254SMO。在海水和苦水处理系统、氯化物和二氧化氯漂白系统、化工设备、脱盐系统、城市污水和板式换热器上已有应用。

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