第1章
绪论

1.1　基础知识

1.1.1　不锈钢的应用

不锈钢材料最早由英国科学家布雷尔利在1913年研制成功，因此，布雷尔利也被誉为“不锈钢之父”。不锈钢不但具有抵抗大气氧化的能力，同时也具有耐酸类、碱类介质腐蚀的性能，因此，被广泛应用于军事、航天、化工、医疗、建筑、食品机械等领域。经过100多年的发展，不锈钢种类越来越多。不锈钢类型按照结构组织来分，包括马氏体不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢和含碳量低于50%的高合金钢。根据化学成分，不锈钢又可分为Cr系、Cr-Ni系、Cr-Mn-Ni系、耐热铬合金钢及析出硬化系。目前，我国不锈钢材料主要以Cr-Ni系（300系）、Cr系（400系）、Cr-Mn-Ni系（200系）为主，也是应用最广泛的三个系列，其主要化学成分、结构组织、主要牌号如表1-1所示。

近年来，我国不锈钢产量和消耗量逐年提高，已成为不锈钢产量和消耗量大国。根据国际不锈钢论坛发布的数据，2019年我国不锈钢产量达到2940万吨，占全球年产量的56.3%；而在2005年，我国产量只占全球产量的13%。根据中华人民共和国工业和信息化部的统计数据，2011—2018年我国不锈钢产量的变化情况如图1-1所示，图1-2给出了2011—2018年我国不锈钢表观消费量情况。

图1-1　2011—2018年我国不锈钢产量

图1-2　2011—2018年我国不锈钢表观消费量

图1-3是2019年我国不锈钢行业产量结构。从图1-3可以看出，在4个系列中，300系的奥氏体不锈钢产量最大，占了不锈钢总产量的45.90%，其中牌号304系列的产品最为常见。304是美国的表示方法，对应国内的牌号是06Cr19Ni10，数字代码为S30408。

图1-3　2019年我国不锈钢行业产量结构

奥氏体不锈钢之所以被广泛应用，除了其良好的耐腐蚀性，还具有良好的耐热性、耐高低温性以及焊接性能等，尤其在石油、化工、核电、蒸汽发电、食品加工等行业中应用最为广泛。美国杜邦化工调查发现，1968—1971年压力容器及设备90%以上是不锈钢制成的。然而，不锈钢的耐腐蚀不是绝对的，例如卤素离子是奥氏体不锈钢的“天敌”，在一定条件下，低氯离子含量的环境也容易引起局部腐蚀。文献[1]收集的400件腐蚀案例中，不锈钢材料的腐蚀案例占到总数的五分之二还要多，国内压力设备失效案例中，应力腐蚀失效在不锈钢材料各种腐蚀失效模式中所占比例超过了50%，其次是点蚀、缝隙腐蚀以及晶间腐蚀。各腐蚀类型及所占比例如图1-4所示。

图1-4　不锈钢腐蚀类型及所占比例

1.1.2　腐蚀的危害

腐蚀带来的经济损失是巨大的。据统计，石油行业中，每年经济损失的百分之六是由腐蚀引起的；我国的金属腐蚀损失总量占GDP的百分之五。腐蚀不仅造成经济损失，而且还会引起环境破坏，更严重的是大大降低了设备和管道的承载能力和服役的可靠性，容易引发泄漏、火灾、爆炸等事故，严重威胁人们的生命安全。特别是局部腐蚀，带有不可预见性，在腐蚀的初期基本没有破坏性，腐蚀现象很难被观察到，常规监测也很难检测到，当金属材料剩余物理性能无法承受载荷时，设备完整性被突然破坏，事故无法预防，潜在的危险是巨大的。

2005年3月21日，国内某化肥厂的尿素合成塔发生爆炸事故，合成塔被炸成3段，导致其他设备和厂房严重受损，事故造成多名人员伤亡和严重的经济损失。调查发现，引发尿素合成塔爆炸的直接原因是设备的应力腐蚀开裂，塔内介质泄漏，引起塔内介质爆沸，造成设备爆裂[2]，爆炸现场如图1-5所示。

图1-5　尿素合成塔爆炸现场[2]

蒸汽发生器换热管、废热锅炉换热管、再沸器等都是腐蚀易发设备。根据文献[3]报道，国内某公司煤制甲醇和二甲醚项目投产运行大约一年时间后，水煤气废热锅炉、低压锅炉给水加热器、低压废热锅炉的换热管先后多次发生开裂泄漏，分析后发现开裂是由应力腐蚀引起的，开裂的换热管及微观裂纹如图1-6所示。

图1-6　锅炉换热管失效

某企业的PTA装置高压吸收塔发生泄漏，分析认为是奥氏体不锈钢晶间腐蚀引起的，如图1-7所示。

图1-7　吸收塔的晶间腐蚀[4]

在实际生产中，人们采用各种方法预防腐蚀的发生，但是局部腐蚀防不胜防，发生频率依然很高。因此，开发耐局部腐蚀性能更高的不锈钢材料、寻找局部腐蚀机理、预防及减缓局部腐蚀的发生以及对已腐蚀设备进行寿命预测和安全评价，都是使奥氏体不锈钢装备安全、可靠、经济服役的强力支撑。