李成超張誠(chéng)棟 崔云龍 劉華偉

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院)

不銹鋼夾層鍋在氯離子環(huán)境中的腐蝕及預(yù)防措施

李成超*張誠(chéng)棟 崔云龍 劉華偉

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院)

在定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，材質(zhì)為SUS304的不銹鋼夾層鍋存在多處裂紋、點(diǎn)腐蝕、孔蝕等缺陷。通過宏觀檢測(cè)、材質(zhì)分析等檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行腐蝕分析，結(jié)果表明，奧氏體不銹鋼在拉應(yīng)力、高溫、高濃度氯離子的共同作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。

夾層鍋不銹鋼氯離子拉應(yīng)力腐蝕開裂措施

夾層鍋又名蒸汽鍋，廣泛應(yīng)用于各類食品加工等行業(yè)，是提高食品加工質(zhì)量、縮短加工時(shí)間、改善勞動(dòng)條件的良好設(shè)備。夾層鍋產(chǎn)品材質(zhì)一般選用奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼具有非磁性和良好的耐蝕性、加工性等特點(diǎn)[1]。奧氏體不銹鋼在產(chǎn)品使用過程中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂等情況。奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下使用，氯離子含量應(yīng)小于25× 10－6，否則就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕。事實(shí)上，蒸煮食品用夾層鍋中醬料的氯離子含量濃度很高。分析氯離子對(duì)不銹鋼的腐蝕情況，并采取有效的預(yù)防措施，可以保障特種設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 蒸汽夾層鍋的性能參數(shù)

東平某食品廠共有14臺(tái)固定式蒸汽夾層鍋，殼體和夾套材質(zhì)均為SUS304，均于2005年由蒼南縣某石化設(shè)備公司制造，主要性能參數(shù)見表1。

表1 夾層鍋主要性能參數(shù)

全面檢驗(yàn)是壓力容器定期檢驗(yàn)重要的內(nèi)容，檢驗(yàn)人員用肉眼或用儀器檢測(cè)容器易發(fā)生缺陷的內(nèi)表面，且檢測(cè)試驗(yàn)方法易實(shí)施。全面檢驗(yàn)以宏觀檢查、壁厚測(cè)定、表面無損檢測(cè)為主[2]。

蒸汽夾層鍋的結(jié)構(gòu)如圖1所示。夾層鍋工作過程：夾套內(nèi)通入高溫蒸汽水，內(nèi)筒放入食品、水及一定配比的醬料，蒸煮完成后盛取食品，最后用自來水對(duì)殼體內(nèi)部及外側(cè)進(jìn)行沖洗。2016年4月，對(duì)14臺(tái)蒸汽夾層鍋進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)所有夾層鍋進(jìn)行壁厚測(cè)定及滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有8臺(tái)夾層鍋外側(cè)角焊縫及熱影響區(qū)有多處裂紋，殼體內(nèi)壁有大量點(diǎn)腐蝕及小孔腐蝕，其余6臺(tái)也有不同程度的腐蝕情況。為確定裂紋、腐蝕類型及其產(chǎn)生原因，對(duì)殼體及夾套進(jìn)行了材質(zhì)分析，并對(duì)裂紋、腐蝕處進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)分析，以便采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

圖1 蒸汽夾層鍋示意圖

2 檢測(cè)情況

2.1 宏觀檢測(cè)及無損檢測(cè)

滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)的檢查表面開口缺陷的無損檢測(cè)方法，在特種設(shè)備行業(yè)中應(yīng)用廣泛[3]。在此次檢驗(yàn)過程中，對(duì)夾層鍋進(jìn)行了滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了相關(guān)顯示（缺陷中滲出的滲透劑所形成的痕跡顯示）。

通過對(duì)檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的觀察，如圖2所示，夾層鍋外側(cè)角焊縫及熱影響區(qū)有多處開裂性裂紋，開裂方向大致與焊縫方向平行。此外，殼體內(nèi)部有大量點(diǎn)蝕、小孔腐蝕及機(jī)械損傷情況。經(jīng)厚度測(cè)定，夾層鍋壁厚無明顯腐蝕減薄。

圖2 夾層鍋外部角焊縫滲透檢測(cè)缺陷部位

2.2 材質(zhì)分析

材質(zhì)分析結(jié)果如表2所示。由表2可見，材質(zhì)符合SUS304標(biāo)準(zhǔn)要求，屬于奧氏體不銹鋼。

表2 夾層鍋殼體和夾套化學(xué)成分分析結(jié)果

3 腐蝕原因分析

3.1 水中較高濃度氯離子及pH值對(duì)腐蝕的影響

現(xiàn)在自來水消毒大都采用氯化法。氯氣易溶于水，與水結(jié)合生成次氯酸和鹽酸，因此自來水中氯離子含量偏高。我們對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，水中的氯離子含量在40～80 mg/L之間，pH值大于2。夾層鍋在操作中存在蒸汽帶水的現(xiàn)象，并且盛取食品過程中也會(huì)出現(xiàn)盛具帶出水的情況。由于氯離子一般不易蒸發(fā)到蒸汽中，這就可能導(dǎo)致氯離子在局部位置濃縮聚集，增加夾層鍋應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性，而高濃度的氯離子與夾層鍋外側(cè)角焊縫及熱影響區(qū)接觸，就會(huì)引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂。在pH值大于2的情況下，不銹鋼易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

3.2 腐蝕環(huán)境

蒸煮食品過程中加入的醬料富含氯離子，而奧氏體不銹鋼對(duì)含有氯離子的介質(zhì)非常敏感,醬料中氯離子的存在，將會(huì)導(dǎo)致金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。由于氯離子半徑小，穿透能力強(qiáng)，極易穿透鈍化膜中極小的孔隙，氯離子將優(yōu)先吸附在鈍化膜上，把氧原子擠掉，然后與鈍化膜中的陽(yáng)離子結(jié)合生成可溶性氯化物，使鈍化膜遭到破壞。在應(yīng)力作用下，被破壞的鈍化膜區(qū)域就容易產(chǎn)生裂紋，從而使不銹鋼發(fā)生應(yīng)力開裂。不銹鋼在外加陽(yáng)極極化條件下開始活化，鈍化膜破壞區(qū)域的金屬直接暴露在腐蝕環(huán)境中，成為腐蝕電池的陽(yáng)極區(qū)，發(fā)生陽(yáng)極溶解，使附近區(qū)域的腐蝕加深，最后形成孔蝕。連續(xù)不斷的電化學(xué)腐蝕最終可能導(dǎo)致金屬的斷裂。

3.3 應(yīng)力和溫度的影響

審查分析夾層鍋的出廠資料（竣工圖、產(chǎn)品質(zhì)量證明書、容器設(shè)計(jì)文件等相關(guān)技術(shù)資料）[4]，也有助于對(duì)夾層鍋裂紋的進(jìn)一步分析。夾層鍋上發(fā)現(xiàn)的多處裂紋均發(fā)生在焊縫及熱影響區(qū)，由此說明夾層鍋夾套和殼體在焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力沒有完全消除，焊縫附近區(qū)域存在較大的拉應(yīng)力。另外，夾層鍋工作時(shí)，由于介質(zhì)蒸煮工藝的要求，加熱和冷卻的交替工況引起了循環(huán)熱應(yīng)力，從而使殼體內(nèi)表面不斷受拉應(yīng)力及內(nèi)壓力引起的膜應(yīng)力的作用，引起應(yīng)力腐蝕開裂[5]。在高溫工況下，應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性隨溫度的升高而升高。

4 預(yù)防措施

（1）降低夾層鍋的殘余應(yīng)力。在夾層鍋的生產(chǎn)制造過程中，對(duì)焊接工藝、焊接材料進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，并對(duì)應(yīng)力集中部位盡可能實(shí)施消除應(yīng)力處理。

（2）對(duì)夾層鍋的管理人員和操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，使他們了解相關(guān)的應(yīng)力腐蝕知識(shí)，嚴(yán)格控制加熱介質(zhì)中氯離子的含量、pH值，并及時(shí)清洗烘干設(shè)備。

（3）選用耐氯離子應(yīng)力腐蝕開裂性能較強(qiáng)的材料,如316L或雙相不銹鋼。

（4）降低材料表面粗糙度，防止機(jī)械劃痕、擦傷等，減少氯離子集聚的可能性。

5 結(jié)論

奧氏體不銹鋼夾層鍋在蒸煮食品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境中會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕、孔蝕等損傷，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，會(huì)對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)安全有較大危險(xiǎn)性。為了保障特種設(shè)備的安全運(yùn)行，除了上述4點(diǎn)預(yù)防措施外，使用單位應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)企業(yè)自檢，對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行細(xì)致的全面檢查，及時(shí)地消除事故隱患。

[1]張其樞，堵耀庭.不銹鋼焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]強(qiáng)天鵬.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京：新華出版社，2008.

[3]胡學(xué)知.滲透檢測(cè)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.

[4]壓力容器：GB 150.1～GB 150.4—2011[S].

[5]曹福想，張啟禮.奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋失效分析及對(duì)策[J].南方金屬，2008（3）：8-11.

Corrosion Analysis and Preventive Measures of Stainless Steel Steam-jacked Kettle in Chloride Environment

Li ChengchaoZhang ChengdongCui YunlongLiu Huawei

In the regular inspection,many defects were found in the steam-jacked kettle made of SUS304 stainless steel,such as cracks,spot corrosion,pitting corrosion and so on.Corrosion analysis was carried out by means of macroscopic detection and material analysis.The results showed that stress corrosion cracking appeared in austenitic steel under the combined action of tensile stress,high temperature,and high concentration of chloride ions.

Steam-jacked kettle;Stainless steel;Chloride ion;Tensile stress;Corrosion cracking;Measure

TQ 050.9

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.011

2016-08-15)

*李成超，男，1987年生，碩士，助理工程師。泰安市，271000。