第1章
緒論

1.1　基礎知識

1.1.1　不銹鋼的應用

不銹鋼材料最早由英國科學家布雷爾利在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、堿類介質腐蝕的性能，因此，被廣泛應用于軍事、航天、化工、醫療、建筑、食品機械等領域。經過100多年的發展，不銹鋼種類越來越多。不銹鋼類型按照結構組織來分，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。根據化學成分，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，也是應用最廣泛的三個系列，其主要化學成分、結構組織、主要牌號如表1-1所示。

近年來，我國不銹鋼產量和消耗量逐年提高，已成為不銹鋼產量和消耗量大國。根據國際不銹鋼論壇發布的數據，2019年我國不銹鋼產量達到2940萬噸，占全球年產量的56.3%；而在2005年，我國產量只占全球產量的13%。根據中華人民共和國工業和信息化部的統計數據，2011—2018年我國不銹鋼產量的變化情況如圖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年我國不銹鋼行業產量結構。從圖1-3可以看出，在4個系列中，300系的奧氏體不銹鋼產量最大，占了不銹鋼總產量的45.90%，其中牌號304系列的產品最為常見。304是美國的表示方法，對應國內的牌號是06Cr19Ni10，數字代碼為S30408。

奧氏體不銹鋼之所以被廣泛應用，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、蒸汽發電、食品加工等行業中應用最為廣泛。美國杜邦化工調查發現，1968—1971年壓力容器及設備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的五分之二還要多，國內壓力設備失效案例中，應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

腐蝕帶來的經濟損失是巨大的。據統計，石油行業中，每年經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。腐蝕不僅造成經濟損失，而且還會引起環境破壞，更嚴重的是大大降低了設備和管道的承載能力和服役的可靠性，容易引發泄漏、火災、爆炸等事故，嚴重威脅人們的生命安全。特別是局部腐蝕，帶有不可預見性，在腐蝕的初期基本沒有破壞性，腐蝕現象很難被觀察到，常規監測也很難檢測到，當金屬材料剩余物理性能無法承受載荷時，設備完整性被突然破壞，事故無法預防，潛在的危險是巨大的。

2005年3月21日，國內某化肥廠的尿素合成塔發生爆炸事故，合成塔被炸成3段，導致其他設備和廠房嚴重受損，事故造成多名人員傷亡和嚴重的經濟損失。調查發現，引發尿素合成塔爆炸的直接原因是設備的應力腐蝕開裂，塔內介質泄漏，引起塔內介質爆沸，造成設備爆裂[2]，爆炸現場如圖1-5所示。

蒸汽發生器換熱管、廢熱鍋爐換熱管、再沸器等都是腐蝕易發設備。根據文獻[3]報道，國內某公司煤制甲醇和二甲醚項目投產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生開裂泄漏，分析后發現開裂是由應力腐蝕引起的，開裂的換熱管及微觀裂紋如圖1-6所示。

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

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