不锈钢夹层锅在氯离子环境中的腐蚀及预防措施

李成超张诚栋 崔云龙 刘华伟

（泰安市特种设备检验研究院)

不锈钢夹层锅在氯离子环境中的腐蚀及预防措施

李成超*张诚栋 崔云龙 刘华伟

（泰安市特种设备检验研究院)

在定期检验过程中发现，材质为SUS304的不锈钢夹层锅存在多处裂纹、点腐蚀、孔蚀等缺陷。通过宏观检测、材质分析等检测方法对其进行腐蚀分析，结果表明，奥氏体不锈钢在拉应力、高温、高浓度氯离子的共同作用下产生应力腐蚀开裂。

夹层锅不锈钢氯离子拉应力腐蚀开裂措施

夹层锅又名蒸汽锅，广泛应用于各类食品加工等行业，是提高食品加工质量、缩短加工时间、改善劳动条件的良好设备。夹层锅产品材质一般选用奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢具有非磁性和良好的耐蚀性、加工性等特点[1]。奥氏体不锈钢在产品使用过程中会出现应力腐蚀开裂等情况。奥氏体不锈钢在氯离子环境下使用，氯离子含量应小于25× 10－6，否则就会发生应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀。事实上，蒸煮食品用夹层锅中酱料的氯离子含量浓度很高。分析氯离子对不锈钢的腐蚀情况，并采取有效的预防措施，可以保障特种设备的安全运行。

1 蒸汽夹层锅的性能参数

东平某食品厂共有14台固定式蒸汽夹层锅，壳体和夹套材质均为SUS304，均于2005年由苍南县某石化设备公司制造，主要性能参数见表1。

表1 夹层锅主要性能参数

全面检验是压力容器定期检验重要的内容，检验人员用肉眼或用仪器检测容器易发生缺陷的内表面，且检测试验方法易实施。全面检验以宏观检查、壁厚测定、表面无损检测为主[2]。

蒸汽夹层锅的结构如图1所示。夹层锅工作过程：夹套内通入高温蒸汽水，内筒放入食品、水及一定配比的酱料，蒸煮完成后盛取食品，最后用自来水对壳体内部及外侧进行冲洗。2016年4月，对14台蒸汽夹层锅进行定期检验时，对所有夹层锅进行壁厚测定及渗透检测，发现有8台夹层锅外侧角焊缝及热影响区有多处裂纹，壳体内壁有大量点腐蚀及小孔腐蚀，其余6台也有不同程度的腐蚀情况。为确定裂纹、腐蚀类型及其产生原因，对壳体及夹套进行了材质分析，并对裂纹、腐蚀处进行相应的检测分析，以便采取相应的预防措施。

图1 蒸汽夹层锅示意图

2 检测情况

2.1 宏观检测及无损检测

渗透检测是一种以毛细作用原理为基础的检查表面开口缺陷的无损检测方法，在特种设备行业中应用广泛[3]。在此次检验过程中，对夹层锅进行了渗透检测，发现了相关显示（缺陷中渗出的渗透剂所形成的痕迹显示）。

通过对检验现场的观察，如图2所示，夹层锅外侧角焊缝及热影响区有多处开裂性裂纹，开裂方向大致与焊缝方向平行。此外，壳体内部有大量点蚀、小孔腐蚀及机械损伤情况。经厚度测定，夹层锅壁厚无明显腐蚀减薄。

图2 夹层锅外部角焊缝渗透检测缺陷部位

2.2 材质分析

材质分析结果如表2所示。由表2可见，材质符合SUS304标准要求，属于奥氏体不锈钢。

表2 夹层锅壳体和夹套化学成分分析结果

3 腐蚀原因分析

3.1 水中较高浓度氯离子及pH值对腐蚀的影响

现在自来水消毒大都采用氯化法。氯气易溶于水，与水结合生成次氯酸和盐酸，因此自来水中氯离子含量偏高。我们对水质进行检测，水中的氯离子含量在40～80 mg/L之间，pH值大于2。夹层锅在操作中存在蒸汽带水的现象，并且盛取食品过程中也会出现盛具带出水的情况。由于氯离子一般不易蒸发到蒸汽中，这就可能导致氯离子在局部位置浓缩聚集，增加夹层锅应力腐蚀开裂的敏感性，而高浓度的氯离子与夹层锅外侧角焊缝及热影响区接触，就会引发应力腐蚀开裂。在pH值大于2的情况下，不锈钢易发生应力腐蚀开裂现象。

3.2 腐蚀环境

蒸煮食品过程中加入的酱料富含氯离子，而奥氏体不锈钢对含有氯离子的介质非常敏感,酱料中氯离子的存在，将会导致金属产生应力腐蚀开裂。由于氯离子半径小，穿透能力强，极易穿透钝化膜中极小的孔隙，氯离子将优先吸附在钝化膜上，把氧原子挤掉，然后与钝化膜中的阳离子结合生成可溶性氯化物，使钝化膜遭到破坏。在应力作用下，被破坏的钝化膜区域就容易产生裂纹，从而使不锈钢发生应力开裂。不锈钢在外加阳极极化条件下开始活化，钝化膜破坏区域的金属直接暴露在腐蚀环境中，成为腐蚀电池的阳极区，发生阳极溶解，使附近区域的腐蚀加深，最后形成孔蚀。连续不断的电化学腐蚀最终可能导致金属的断裂。

3.3 应力和温度的影响

审查分析夹层锅的出厂资料（竣工图、产品质量证明书、容器设计文件等相关技术资料）[4]，也有助于对夹层锅裂纹的进一步分析。夹层锅上发现的多处裂纹均发生在焊缝及热影响区，由此说明夹层锅夹套和壳体在焊接时产生的焊接残余应力没有完全消除，焊缝附近区域存在较大的拉应力。另外，夹层锅工作时，由于介质蒸煮工艺的要求，加热和冷却的交替工况引起了循环热应力，从而使壳体内表面不断受拉应力及内压力引起的膜应力的作用，引起应力腐蚀开裂[5]。在高温工况下，应力腐蚀开裂的敏感性随温度的升高而升高。

4 预防措施

（1）降低夹层锅的残余应力。在夹层锅的生产制造过程中，对焊接工艺、焊接材料进行严格的质量控制，并对应力集中部位尽可能实施消除应力处理。

（2）对夹层锅的管理人员和操作人员进行专业培训，使他们了解相关的应力腐蚀知识，严格控制加热介质中氯离子的含量、pH值，并及时清洗烘干设备。

（3）选用耐氯离子应力腐蚀开裂性能较强的材料,如316L或双相不锈钢。

（4）降低材料表面粗糙度，防止机械划痕、擦伤等，减少氯离子集聚的可能性。

5 结论

奥氏体不锈钢夹层锅在蒸煮食品领域应用广泛。奥氏体不锈钢在氯离子环境中会发生应力腐蚀、孔蚀等损伤，如不及时发现缺陷，会对人身和财产安全有较大危险性。为了保障特种设备的安全运行，除了上述4点预防措施外，使用单位应当加强企业自检，对设备运行过程中出现的异常情况进行细致的全面检查，及时地消除事故隐患。

[1]张其枢，堵耀庭.不锈钢焊接[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]强天鹏.压力容器检验[M].北京：新华出版社，2008.

[3]胡学知.渗透检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.

[4]压力容器：GB 150.1～GB 150.4—2011[S].

[5]曹福想，张启礼.奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹失效分析及对策[J].南方金属，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，硕士，助理工程师。泰安市，271000。