不锈钢螺栓的腐蚀及防护

姚 强，朱忠华

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

不锈钢螺栓的腐蚀及防护

姚 强，朱忠华

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

不锈钢螺栓失效断裂的事故在各石化企业时有发生，不锈钢螺栓的使用安全是石化企业设备安全管理的主要内容。通过对不锈钢螺栓的使用条件、常见失效形态分析，认为不锈钢螺产生裂纹、断裂现象主要是含Cl－大气腐蚀引起的(Cl－质量分数高于0.1%时，易产生缝隙腐蚀)，在含Cl－水(汽)溶液中不锈钢螺栓会产生缝隙腐蚀和晶间腐蚀。文章论述了晶界腐蚀、缝隙腐蚀的产生原因，以及避免不锈钢螺栓腐蚀的应对措施:(1)选用合格的不锈钢螺栓;(2)把不锈钢螺栓与含Cl－大气(水溶液)作有效的隔离;(3)采用含高铬、高钼的不锈钢材料，特别是在低温罐区、球罐区、应力腐蚀严重区采用在Cl－环境中耐蚀性好的316L(00Cr17Ni14Mo2)钢，效果会更好。

不锈钢 螺栓 腐蚀 措施

从螺栓的使用温度范围来说，不锈钢螺栓相比碳钢螺栓、合金钢螺栓，无论在低温、高温部位，其应用范围更为广泛，因此在实际使用中不锈钢螺栓也越来越被普遍使用。通常所称的不锈钢，一般指含Cr为12%以上在大气条件下具有耐腐蚀性能的铁基合金。

1 不锈钢螺栓的选用条件

压力容器用不锈钢紧固件可根据GB150-2011《钢制压力容器》和GB151-1999《管壳式换热器》的标准选材，其具体参数见表1。

表1 不锈钢紧固件选用条件Table 1 Stainless steel fasteners selected

压力管道用不锈钢紧固件可根据《压力管道规范》GB/T20801-2006标准选材，其中不锈钢螺栓的最低使用温度，见表2。

表2 不锈钢螺栓的最低使用温度Table 2 The minimum allowable temperature of the stainless steel bolts

2 不锈钢螺栓失效

裂纹、开裂和断裂是不锈钢螺栓的常见失效形态。一般碳钢、合金钢螺栓是在其表面有明显腐蚀产物及减薄的情况下失效，而不锈钢螺栓会在其表面几乎看不出任何变化的情况下丧失强度，造成结构或设备的严重破坏，其失效更具隐蔽性和危害性。

某石化企业装置不锈钢螺栓失效情况见表3。

表3 不锈钢螺栓失效情况Table 3 Stainless steel bolt failures

3 不锈钢螺栓腐蚀机理

对不锈钢螺栓的失效和使用情况分析后认为，不锈钢螺栓产生裂纹、断裂现象的原因主要是含Cl－大气腐蚀引起的。含Cl－水(汽)溶液在不锈钢螺栓表面积聚形成腐蚀介质，产生缝隙腐蚀;不锈钢组织晶界区存在杂质或应力，在腐蚀介质(含Cl－大气)会产生晶间腐蚀。

3.1 缝隙腐蚀

金属表面上由于存在异物或结构上的原因而形成缝隙，使缝隙内外溶液之间与腐蚀有关的物质迁移困难所引起的缝隙内金属的腐蚀称为缝隙腐蚀［1］。如螺栓连接的结合部、螺纹结合处等情况下金属与金属间形成的缝隙;金属与非金属接触所形成的缝隙;以及沙粒、灰尘和脏物等污垢在金属表面上所形成的缝隙等等，在一定的电解质溶液中都会引起金属缝隙腐蚀。几乎所有的腐蚀介质(包括淡水)都能引起金属缝隙腐蚀，但含Cl－的溶液最容易引起该类腐蚀(Cl－质量分数高于0.1%时就有可能引起缝隙腐蚀)。缝隙的宽度一般在0.03～0.10 mm时，使缝隙内外溶液之间的物质迁移发生困难，这就是说，容易引起缝隙腐蚀。一超临界乙烯法兰连接螺栓由于不停地喷水捉漏在螺栓端部产生缝隙腐蚀见图1，而其他超临界乙烯法兰连接螺栓则良好。

图1 螺杆腐蚀情况Fig.1 Screw corrosion

3.2 晶间腐蚀

沿着合金的晶界区发展的腐蚀，叫做晶间腐蚀。就其电化学本质而言，可以认为是在腐蚀电位下合金晶界区与晶粒本体之间存在不等速溶解所致。只要在一定腐蚀介质中合金晶界区物质的溶解速率远大于晶粒本体的溶解速率，就会形成晶间腐蚀。产生晶界区与晶粒本体的不等速溶解的主要原因是在适当的介质条件下，晶界区某种物质同晶粒本体之间在电化学性质上存在显著差异造成的。晶界区与晶粒本体之间的电化学行为之所以有很大的不同，一是由合金受热时产生组织变化引起的;二是晶界区存在杂质或产生应力所致，在适当介质条件(含Cl－大气)下也会使其电化学行为同晶粒本体显著不同。乙烯法兰连接螺栓的断裂就是不锈钢材质不合格，在杂质、应力和含Cl－大气的作用下引起的晶界腐蚀，见图2。

图2 螺杆断裂面情况Fig.2 Screw fracture surface situation

4 不锈钢螺栓的防腐蚀措施

(1)结构设计中避免形成缝隙，避免造成容易产生表面沉积的几何条件;

(2)不能避免缝隙的，应该用焊接或把缝隙填实(封闭)，使水溶液不能进入;

(3)不锈钢材料应采用含高铬、高钼的材料;

(4)不锈钢螺栓与大气或水溶液隔离［2］。

(5)采取材质升级，来防止晶界腐蚀。一般情况下可采用含高铬、高钼低碳和低镍的不锈钢材料，而在低温罐区、球罐区、应力腐蚀严重区采用在Cl－环境中耐蚀性好的316L(00Cr17Ni14Mo2)，也是一个比较好的办法。

［1］化学工业部化工机械研究院.腐蚀和防护手册［M］.北京:化学工业出版社，1993:57-61.

［2］朱相荣，王相润.金属材料的海洋腐蚀与防护［M］.北京:国防工业出版社，1999:173-174.

Corrosion of stainless Steel Bolts and Protection

Yao Qiang，Zhu Zhonghua
(SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.，Shanghai 200540)

The cracking failure of stainless steel bolts and associated accidents often happen in petroleum refineries and petrochemical plants.Therefore，the safe application of stainless steel bolts is very important in the safety management of equipment of petrochemical enterprises.The analysis of service conditions and common failure forms of stainless steel bolts concludes that the cracks and failures of stainless steel bolts are caused by Cl－atmospheric corrosion.When Cl－is higher than 0.1w% ，the crevice corrosion can easily occur.The stainless steel bolts are subject to crevice corrosion and intergranular corrosion in water(steam)solutions containing Cl－.The causes of crevice corrosion and intergranular corrosion are described，and countermeasures are recommended such as:(1)selection of on－specification stainless steel bolts，(2)isolation of stainless steel bolts from atmosphere(water solution)containing Cl－，(3)application of high Cr and high Mo stainless steel and application of 316L stainless(00Cr17Ni14Mo2)steel resistant to Cl－corrosion in cryogenic tanks，spherical tanks and equipment with serious stress corrosion.Better results can be achieved.

stainless steel，bolt，corrosion，measure

TG115.57

A

1007－015X(2012)04－0054－03

2012－04－ 03;修改稿收到日期:2012－05－30。

姚强(1970－)，工程师，1991年毕业于上海石油化工专科学校化工设备和机械制造专业，现在储运部从事设备管理工作。E-mail:13817313773@163.com。

(编辑 寇岱清)