第1章
緒論

1.1　基礎(chǔ)知識

1.1.1　不銹鋼的應(yīng)用

不銹鋼材料最早由英國科學(xué)家布雷爾利在1913年研制成功，因此，布雷爾利也被譽為“不銹鋼之父”。不銹鋼不但具有抵抗大氣氧化的能力，同時也具有耐酸類、堿類介質(zhì)腐蝕的性能，因此，被廣泛應(yīng)用于軍事、航天、化工、醫(yī)療、建筑、食品機械等領(lǐng)域。經(jīng)過100多年的發(fā)展，不銹鋼種類越來越多。不銹鋼類型按照結(jié)構(gòu)組織來分，包括馬氏體不銹鋼、鐵素體型不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和含碳量低于50%的高合金鋼。根據(jù)化學(xué)成分，不銹鋼又可分為Cr系、Cr-Ni系、Cr-Mn-Ni系、耐熱鉻合金鋼及析出硬化系。目前，我國不銹鋼材料主要以Cr-Ni系（300系）、Cr系（400系）、Cr-Mn-Ni系（200系）為主，也是應(yīng)用最廣泛的三個系列，其主要化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)組織、主要牌號如表1-1所示。

近年來，我國不銹鋼產(chǎn)量和消耗量逐年提高，已成為不銹鋼產(chǎn)量和消耗量大國。根據(jù)國際不銹鋼論壇發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019年我國不銹鋼產(chǎn)量達到2940萬噸，占全球年產(chǎn)量的56.3%；而在2005年，我國產(chǎn)量只占全球產(chǎn)量的13%。根據(jù)中華人民共和國工業(yè)和信息化部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2011—2018年我國不銹鋼產(chǎn)量的變化情況如圖1-1所示，圖1-2給出了2011—2018年我國不銹鋼表觀消費量情況。

圖1-3是2019年我國不銹鋼行業(yè)產(chǎn)量結(jié)構(gòu)。從圖1-3可以看出，在4個系列中，300系的奧氏體不銹鋼產(chǎn)量最大，占了不銹鋼總產(chǎn)量的45.90%，其中牌號304系列的產(chǎn)品最為常見。304是美國的表示方法，對應(yīng)國內(nèi)的牌號是06Cr19Ni10，數(shù)字代碼為S30408。

奧氏體不銹鋼之所以被廣泛應(yīng)用，除了其良好的耐腐蝕性，還具有良好的耐熱性、耐高低溫性以及焊接性能等，尤其在石油、化工、核電、蒸汽發(fā)電、食品加工等行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。美國杜邦化工調(diào)查發(fā)現(xiàn)，1968—1971年壓力容器及設(shè)備90%以上是不銹鋼制成的。然而，不銹鋼的耐腐蝕不是絕對的，例如鹵素離子是奧氏體不銹鋼的“天敵”，在一定條件下，低氯離子含量的環(huán)境也容易引起局部腐蝕。文獻[1]收集的400件腐蝕案例中，不銹鋼材料的腐蝕案例占到總數(shù)的五分之二還要多，國內(nèi)壓力設(shè)備失效案例中，應(yīng)力腐蝕失效在不銹鋼材料各種腐蝕失效模式中所占比例超過了50%，其次是點蝕、縫隙腐蝕以及晶間腐蝕。各腐蝕類型及所占比例如圖1-4所示。

1.1.2　腐蝕的危害

腐蝕帶來的經(jīng)濟損失是巨大的。據(jù)統(tǒng)計，石油行業(yè)中，每年經(jīng)濟損失的百分之六是由腐蝕引起的；我國的金屬腐蝕損失總量占GDP的百分之五。腐蝕不僅造成經(jīng)濟損失，而且還會引起環(huán)境破壞，更嚴重的是大大降低了設(shè)備和管道的承載能力和服役的可靠性，容易引發(fā)泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故，嚴重威脅人們的生命安全。特別是局部腐蝕，帶有不可預(yù)見性，在腐蝕的初期基本沒有破壞性，腐蝕現(xiàn)象很難被觀察到，常規(guī)監(jiān)測也很難檢測到，當金屬材料剩余物理性能無法承受載荷時，設(shè)備完整性被突然破壞，事故無法預(yù)防，潛在的危險是巨大的。

2005年3月21日，國內(nèi)某化肥廠的尿素合成塔發(fā)生爆炸事故，合成塔被炸成3段，導(dǎo)致其他設(shè)備和廠房嚴重受損，事故造成多名人員傷亡和嚴重的經(jīng)濟損失。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，引發(fā)尿素合成塔爆炸的直接原因是設(shè)備的應(yīng)力腐蝕開裂，塔內(nèi)介質(zhì)泄漏，引起塔內(nèi)介質(zhì)爆沸，造成設(shè)備爆裂[2]，爆炸現(xiàn)場如圖1-5所示。

蒸汽發(fā)生器換熱管、廢熱鍋爐換熱管、再沸器等都是腐蝕易發(fā)設(shè)備。根據(jù)文獻[3]報道，國內(nèi)某公司煤制甲醇和二甲醚項目投產(chǎn)運行大約一年時間后，水煤氣廢熱鍋爐、低壓鍋爐給水加熱器、低壓廢熱鍋爐的換熱管先后多次發(fā)生開裂泄漏，分析后發(fā)現(xiàn)開裂是由應(yīng)力腐蝕引起的，開裂的換熱管及微觀裂紋如圖1-6所示。

某企業(yè)的PTA裝置高壓吸收塔發(fā)生泄漏，分析認為是奧氏體不銹鋼晶間腐蝕引起的，如圖1-7所示。

在實際生產(chǎn)中，人們采用各種方法預(yù)防腐蝕的發(fā)生，但是局部腐蝕防不勝防，發(fā)生頻率依然很高。因此，開發(fā)耐局部腐蝕性能更高的不銹鋼材料、尋找局部腐蝕機理、預(yù)防及減緩局部腐蝕的發(fā)生以及對已腐蝕設(shè)備進行壽命預(yù)測和安全評價，都是使奧氏體不銹鋼裝備安全、可靠、經(jīng)濟服役的強力支撐。