01 堿腐蝕引起的應力腐蝕破裂機理

堿腐蝕引起的應力腐蝕破裂有兩個特點：一是裂紋起源于腐蝕坑；二是這種腐蝕伴隨著產生金屬組織損傷，使其強度和韌性顯著降低，呈脆性斷裂。

堿腐蝕引起的穿孔與脆裂有內壓的聯系，也有一定區別。其內在聯系是均由游離堿對鋼鐵的腐蝕引起，即腐蝕作用的機制有相同之處；其明顯的區別是表現形式不同，反映了其腐蝕過程有所區別。即，堿腐蝕引起的穿孔不產生組織損傷和強度韌性下降；堿腐蝕引起的應力腐蝕破裂則由于晶間腐蝕使強度、韌性下降。

堿腐蝕引起的鍋爐水冷壁管應力腐蝕破裂都發生在爐管的向火側，通常是在熱負荷集中的部位易于發生。它產生在腐蝕速度相當高的皿狀腐蝕坑處。呈開窗狀爆破。爆口蠕脹不明顯，開口相當大，外形不規則。其爆口邊緣厚鈍，可有許多道裂紋由爆口向外延伸，見圖5-159。

在爆口處金屬斷面有明顯的脫碳現象，其完全脫碳層可達1～3mm，半脫碳層約為1-2mm。圖5-160是堿腐蝕引起應力腐蝕破裂的水冷壁管斷面，由該圖可以觀察到由內壁開始的脫碳層，腐蝕嚴重處脫碳現象也最嚴重，腐蝕坑外則無脫碳現象。

圖5-159  堿腐蝕引起的脆性爆口

圖5-160 水冷壁斷面

除了主爆口的裂紋外，堿腐蝕引起的應力腐蝕破裂可產生密如蛛網的微裂紋，它們往往沿晶發展，在裂紋所及之處，珠光體脫碳。圖5-161是堿脆爆口處未經侵蝕的微裂紋；圖5-162是堿脆爆口附近的晶間裂紋，由該可看到沿晶裂紋附近珠光體組織的脫碳現象。

圖5-161  爆口處未經侵蝕的微裂紋100×

圖5-162  爆口附近的晶間裂紋100×

應力腐蝕破裂的斷口及大裂紋的斷口多呈暗黑色，已失去金屬光澤，其腐蝕產物主要是Fe3O4。它不僅存在于腐蝕坑中，還深入到沿晶發展的裂紋中，堿腐蝕引起脆裂時，其腐蝕速度都比較高，因此鍋爐蒸汽中含氫量較高，鋼鐵中氫的含量比單純的穿孔時更高。

在較高的爐水溫度下，尤其是傳熱不良使金屬溫度局部升高時，堿性的爐水發生局部濃縮，可使鋼鐵的表面膜及其本身發生溶解，金屬在腐蝕過程中各部分的腐蝕速度不等，宏觀上看是表面膜破損處和局部溫度較高的處易于腐蝕，微觀上看是珠光體比鐵素體易于腐蝕，而且晶粒邊界處更容易產生腐蝕。

當腐蝕強烈，腐蝕速度相當高時，金屬的腐蝕不均勻性可引起質的變化，使腐蝕具有明顯的選擇性及沿晶發展的傾向，腐蝕沿著晶粒邊界的狹小縫隙向基體內部推進形成了晶界處微小的活性陽極溶解區與相對很大的未腐蝕晶粒的陰極區，使腐蝕前沿的陽極溶解加速，形成沿晶發展的腐蝕微裂紋。

在研究上述裂紋形成過程時，不可忽視堿腐蝕的腐蝕產物氫氣和亞鐵酸鈉對腐蝕所起的作用。據計算每腐蝕掉1kg鐵，要產生36.1g氫氣，這部分氫氣在高壓鍋爐10.8MPa、316℃的鍋爐參數下，體積為7.87L。這部分氫氣的體積比被腐蝕掉鋼鐵體積大61.4倍，當它們聚集在晶粒邊界處時，可產生巨大的壓力，迫使晶界擴張和晶粒分離。

腐蝕過程中所生成的亞鐵酸鈉與滲入的爐水相遇，可水解生成FeO和NaOH。FeO的密度約為鋼鐵的1/2，其體積將比被腐蝕掉的鋼鐵大一倍，在晶粒邊界產生這種剛性的腐蝕產物所引起的應力比可以被壓縮的氫氣引起的應力更大，促進了裂紋的沿晶發展，水解產物NaOH將使晶粒間的腐蝕繼續進行。

應力腐蝕破裂斷口處的脫碳現象，是珠光體中的滲碳體與堿在高溫下所發生的腐蝕造成的，其反應為：

上式所產生的3Na2FeO2 、CH4、H2均有促進晶間裂紋發展的作用，由上式可知每腐蝕掉1kg Fe3C可產生89g CH4和11gH2，同時，在高壓爐的條件下，它們的體積均為2.4L，其體積也比所腐蝕掉的Fe3C大37倍，同樣要增加晶間應力。

綜上所述，可以認為堿腐蝕引起的應力腐蝕破裂是在強烈的堿性侵蝕下，腐蝕集中于珠光體中的滲碳體和晶粒邊界處發生。腐蝕產物FeO、H2和CH4起到了楔入晶間把晶粒撐開脹裂的促進作用。

02 堿腐蝕引起的鍋爐應力腐蝕破裂的控制措施

為防止由于堿腐蝕引起的鍋爐應力腐蝕破裂應從改善水質、消除附加應力和防止水冷壁管過熱等方面著手。

①改善水質。

加強水質管理，防止堿腐蝕引起的鍋爐應力腐蝕破裂，在水質控制方面與防止堿應力腐蝕破裂的措施相同。應該認識到隨著鍋爐參數升高，由于鍋爐工作壓力對金屬產生的拉伸應力加大，引起應力腐蝕破裂的傾向增加。因此，對水質的要求應該更為嚴格；

②消除焊接殘余應力。

應嚴格按照規程進行焊接和對焊縫進行消除焊接殘余應力熱處理，應加強對焊縫處的無損檢測，以期提早發現裂紋；

③防止水冷壁管過熱。

當發現受熱面水冷壁管存在附著物時，需進行化學清洗除去附著物，這是防止堿腐蝕及由它引起的應力腐蝕破裂的主要措施。不允許鍋爐超出力運行，燃料煤品種按設計品種選用，防止爐膛負荷過高。要防止爐膛火焰偏斜，防止局部熱負荷集中。

要加強對爐管的定期檢查，當懷疑水冷壁管有腐蝕破裂傾向時，應及時更換，以免運行中爆管。