凯发国际首页 不銹鋼設備與部件的表面清理分析

摘 要 : 不銹鋼的表面清理關系到設備的質量 、產品的純度與耐蝕性能 , 因此有必要對不銹鋼表面進行包括除油 、酸洗 、鈍化 、機械清理、電解拋光 、精飾等處理。 并對各種處理方法及清理后檢測方法作了分析 。
關鍵詞 :不銹鋼 ;表面清理 ;酸洗 ;鈍化 ;機械清理 ;電解拋光 ;耐腐蝕 ;檢驗

銹鋼作為重要的金屬材料 ,具有優異的耐腐蝕性能 ,良好的高溫與低溫韌性 ,以及良好的加工性能 ,被廣泛應用于化工 、石化、食品 、造紙、醫藥 、電子、核電與生物等行業中的壓力容器 、儲槽、換熱器與管道中 。 隨著機械設備行業制造標準與用戶對不銹鋼設備表面的要求越來越高 ,有關不銹鋼表面清理的方法與工藝卻沒有得到相應的重視 ,目前僅有ASTM標準和部分行業標準 ,尚無國家標準。 因此 ,對不銹鋼設備與部件表面處理 ,包括酸洗、鈍化 、拋光及機械清理 ,在焊接熱壓成型與熱處理前后 ,尤其是化工石油行業對不銹鋼主要考慮耐腐蝕的需要 ,均值得探討 。
1 不銹鋼表面清理的必要性
111 消除加工缺陷 ,增強設備外表美觀
不銹鋼經冷熱加工后 ,尤其焊接后會產生焊接缺陷、機械損傷 ,需進行機械修整、酸洗、鈍化 ,甚至拋光整飾 ,以保證設備成品外表美觀 ,否則影響觀瞻。本文由 吊鉤式拋丸機 整理
112 清除腐蝕隱患 ,以獲得較大耐蝕能力
不銹鋼經冷熱加工后 ,尤其是焊接后會產生氣孔、裂縫、夾渣、咬邊 、回火色及機械損傷等缺陷 ,如處于 Cl- 、 S2 - 等腐蝕環境中會造成局部腐蝕與開裂 ,需通過機械處理與化學處理提高耐蝕性 ,延長使用壽命。
113 消除雜質污染 ,確保產品純度與質量
對醫藥 、食品、印染 、制氧、化纖與核工業等設備 ,為確保產品純度 ,防止污染 ,不銹鋼設備制作加工后、投用前必須進行清洗與處理。
2 影響不銹鋼表面清潔性的污染物與缺陷
211 主要污染物的來源
(1) 非鐵雜質元素及有機污染。 硫 、碳與磷來源于切割液、潤滑油脂 、蠟 、油漆、標記筆跡與膠帶等 ,鋅來源于富鋅漆與鍍層 ,銅來源于銅絲刷、銅錘子與銅墊板 。
(2) 鐵污染。 游離鐵來自碳鋼絲刷 ,用過的打磨與切割鋼鐵普通砂輪 ,接觸鋼制吊運工具、鋼平臺、存放架等 ,以及在碳鋼工場焊接加工而帶來的鐵塵。
(3) 表層氧化皮及熱回火色 。 經熱沖壓或退火受高溫爐氣作用 ,高鉻不銹鋼表面會形成氧化皮 ,外層為 Fe2O3 , 中 層 主 要 由 Fe3O4 組 成 并 帶 有 少 量Cr2O3 ,內層主要為 Cr2O3 ,并存在 FeO,形成 Cr2O3 -FeO的尖晶型結構化合物 。 此外對含 N i的 18 - 8鋼 ,除 Cr2O3 - FeO外 ,還含有 N iO。 由于 18 - 8鋼熔點為 1 400～1 454℃,而 Cr2O3 為 2 266℃, N iO 為 1982℃。 所以 ,在焊前要對焊接坡口及其兩側表面氧化物進行清除 ,否則由于鉻鎳氧化物熔點高于焊縫金屬 ,不易熔化 ,在焊接過程中會夾帶其中 ,形成焊接缺陷。 另外 ,不銹鋼焊接加熱后 ,在焊縫及熱影響區會出現回火色 ,顏色從淺黃、紫 ,直至灰黑色。 顏色越深 ,氧化層越厚 ,則對腐蝕危害性也越大 。
(4) 物料污染層 。 某些曾服役過的不銹鋼設備 ,由于被物料污染 ,不僅有氧化物 ,而且有滲碳層或硫化層 ,也有氫氧化物 、酸類 、鹽類等污物 ,如需要維修焊接 ,必須經清理除去 。
(5) 焊接缺陷與機械損傷。 經焊接等冷熱加工
后 ,可能存在焊渣、飛濺、弧坑 、未焊透、咬邊 、裂紋、劃傷與毛刺等缺陷與損傷 ,應進行清理 。
212 主要污染、缺陷及有效清理方法
主要污染、缺陷及有效清理方法詳見表 1。

表 1 主要污染與缺陷及清理方法

注 :酸洗與鈍化液均應不含氯離子 。

3 不銹鋼表面清理與處理
不銹鋼表面要求的清理方法與程度 ,決定于用途 ,如耐蝕、外觀與潔凈等 ,主要方法有除油、酸洗 、鈍化、機械清理 、電解清洗與拋光及精飾等。
311 除油
不銹鋼工件加工前后表面總難免有油脂等有機物污染 ,如不除去 ,不僅對焊接熱處理 ,而且對后續的酸洗、鈍化均有不利影響 。 油污可采用有機溶劑 、堿液與表面活性劑乳化液等清洗 ,采用擦洗、浸洗 、噴洗等方法 。 例如對不銹鋼焊前清理 ,必須對焊接坡口兩側及附近表面 25～50mm 處通常先用干凈布擦除雜質 ,次用有機溶劑擦洗 ,再用干凈干燥布去除溶劑。 必須注意 :只能采用非氯系溶劑 ,如丙酮、乙醇、甲苯、甲基乙基酮等 ;不能采用氯系溶劑 ,如三氯甲烷、三氯乙烯 、四氯化碳等 ;而且只準使用干凈溶劑 (未被其它異物污染 ) 。 此外 ,也可采用堿洗法 。
如 60℃下堿洗 ,堿洗液配方為 : NaOH 2%、 Na3 PO45%、NaSiO3 3% ,余為水 ,并予以乳化。 如常溫下堿洗 , 則 堿 洗 液 配 方 為 : 平 平 加 016%、 聚 乙 二 醇014%、油酸 014%、三乙醇胺 1%、亞硝酸鈉 016% ,余為水。
312 酸洗
因為鈍化處理常采用硝酸 。 硝酸是氧化性酸 ,對不銹鋼不腐蝕 ,不能去除熱加工后的氧化皮與回火色、嵌入的鐵微粒及表面缺陷。 為消除這些 ,需要采用酸洗 。 要在硝酸中再加入對氧化皮發生反應 ,并需要去除 25～40μm 厚的實際金屬的含鹵酸 。 酸洗可以說是不嚴格的鈍化處理 ,也是正式鈍化前的預處理。 在鋼廠酸洗可去除在退火時形成的氧化鱗皮 ,在機械設備制造廠酸洗也可去除不銹鋼表面上硫化錳及其他夾雜 ,以及去除退火中可能產生的貧鉻層。
酸洗液的選擇要根據工件表面情況及質量來定 ,應考慮快速有效、優質、實用與價廉 。 根據 ASTMA380推薦的酸洗配方 ,主要采用 HNO3 + HF的水溶液 ,依靠 F - 的侵蝕作用 ,以及用硝酸控制與降低腐蝕速度 ,常用標準工藝為 50℃的 10% HNO3 + 2% HF酸溶液浸漬。 高性能不銹鋼比普通不銹鋼需要采用侵蝕性更強的酸進行酸洗 ,才能去除表面氧化色。如 2205雙相不銹鋼 ,宜采用 50℃的 20% HNO3 + 5%HF。 有人認為 HF毒性較大 ,為方便與操作安全 ,可用 NaF代替 。 某廠提出采用 HCl + HNO3 +Lan - 826與 H2 SO4 +NaNO3 + NaCl + Lan - 826作酸洗液。 南京化工大學 [ 4 ]有人曾提出采用 BMAT緩蝕劑 (苯并咪唑類化合物 )能抑制不銹鋼在 5% HCl溶液酸洗時的腐蝕 ,尤其是抗應力腐蝕破裂 (以下稱 SCC) 。 還有提出采用 HCl + H2 SO4 + HNO3 等。 這是針對熱加工 (如熱沖壓封頭 ) ,有厚的氧化鱗皮 ,采用 HNO3 +HF不能去除的情況。 認為雖然采用含 Cl- 的酸洗液 ,極易對不銹鋼產生點蝕與 SCC,但可加緩蝕劑加以避免。 但筆者認為 ,對添加 HCl的酸洗液 ,由于會引起不銹鋼 SCC,一般不推薦采用。 如 ASTMA380,就沒有列入添加 HCl的酸洗配方 。 對核裝置、石化裝置中接觸氧、催化劑等不銹鋼設備也不用 HCl作清洗液 ,因為對設備中存在殘余應力的焊接結構存在 SCC的危險 ,即使酸洗作業時避免了點蝕與開裂 ,也免不了殘留 Cl- 積存在設備中縫隙、凹槽部位 ;尤其對密閉系統 ,一旦投運后存在 SCC的危險 。 但話要說回來 ,對還需要進一步加工的不銹鋼板及部件(如熱壓封頭 )采用 HCl + H2 SO4 + HNO3 溶液酸洗還是需要與有用的 。
有時對某些經敏化可能產生晶間腐蝕的不銹鋼構件或不銹鋼與碳鋼組合件 ,由于不能用 HNO3 +HF溶液酸洗 ,則可以采用有機酸或螯合物溶液酸洗 ,但由于檸檬酸 、 EDTA、羥基乙酸等價高 ,而且需高溫酸洗 ,一般只用于特殊情況 。
具體酸洗配方可參看有關文獻 [ 3 - 5 ] 。酸洗方法除采用浸漬方法外 ,對局部 (如焊縫 )酸洗或因構件太大、難于浸漬 ,也可采用酸洗膏涂刷或采用噴淋等方法。
酸洗工序為 : 除油 —水洗 —酸洗 —水洗 —中和(NaOH + KMnO4 ) —水洗 —干燥。
313 鈍化
將不銹鋼暴露于空氣中 ,會快速形成致密的鉻鈍化膜 ,這是天然的鈍化處理 ,暴露于水或其它氧化劑環境 ,也能產生這種鈍化膜。 而在專著與規范所述的鈍化 ,多為人工的化學鈍化。 不銹鋼經化學鈍化后將增加保護膜上鉻的質量分數 ,從而比天然鈍化膜的耐蝕性能更高。 一般認為 ,不銹鋼機加工后的部件用硝酸鈍化是較佳選擇 。 ASTM A380標準推薦的鈍化配方以硝酸為主要藥劑 ;常采用 50～60℃溫度下 ,以 20% ～50% HNO3 溶液浸漬。 試驗證明 ,用 <20% HNO3 鈍化 ,提高耐蝕性的效果不如 20% ～50% HNO3 鈍化 ,其中以 50% HNO3 鈍化效果較好 。
但是 , > 60% HNO3 鈍化 ,不銹鋼表面的 Cr3 +會氧化為 Cr6 + ,而 Cr6 +易溶于酸溶液中 ,會造成過鈍化 ,不僅不能保護表面 ,反而降低了耐蝕性。 此外 ,也可采用重鉻酸鹽溶液 ,如 20% ～40% HNO3 + 2% ～6%Na2 Cr2O7 溶液及鉬酸鹽 +磷酸溶液 ,采用后者鈍化 ,對抗鹵素離子點蝕有較好效果。
不銹鋼經鈍化處理的耐蝕性不僅取決于本身合金的組分 ,同時也取決于其表面的質量 ,如表面殘存油污、鐵微粒、灰塵與炭黑等 ,使氧化劑很難與表面接觸 ,以致不能形成完善的保護膜 。 因此 ,鈍化前必須先除油清理 ,較好再酸洗一次。 浸漬鈍化后應在pH 6～8清水中強制性漂洗。 如有可能 ,浸漬鈍化后、漂洗前 ,進行中和是有益的 。 鈍化 、中和 、漂洗依次進行 ,每一中間階段表面不能干燥 ,直到較后才干燥。
鈍化工序 : 除油 —水洗 —酸洗 —水洗 —鈍化 —中和 —漂洗 —干燥。
314 機械清理
不銹鋼機械清理包括噴砂 、噴丸、硏磨、鋼絲刷擦、鏟削與機械拋光等。
31411 噴砂
可以清理大面積 ,可得到無光澤的粗糙表面 ,但砂粒必須是新的 ,沒有在碳鋼上使用過。 除非沒有其它辦法 ,應盡量避免噴砂清理。 噴砂的缺點是開放式進行 ,易污染環境 。 采用石英砂 ,多為一次性應用 ,又表面容易嵌入砂粒與污染物。 粗糙表面容易產生縫隙腐蝕 。 噴砂清理后 ,應當進行酸洗鈍化。
31412 噴丸
可在密封條件下進行。 采用玻璃珠噴丸 ,也可用碎胡桃殼噴丸 。 尤其是后者適用于不銹鋼或鈦合金等飛機部件 ,因為采用其它磨料所產生的金屬微粒與灰塵可能對這些重要部件有害 。 噴丸可得到優于噴砂的相對光滑表面。 會產生壓縮應力 ,可減少SCC危害 ,但要權衡粗糙表面增大縫隙腐蝕的負面影響與減少 SCC的有利影響。
31413 研磨
一般采用砂輪與砂帶 (氧化鋁 ) ,可去除熱回火色與較深的缺陷 ,如焊縫咬邊、深劃痕與粗加工痕跡 ,也可去除焊縫夾渣與氣孔 。 如果用粒度依次細化的磨料硏磨 ,可得到較光滑的表面 。 不銹鋼應采用專用砂輪 (不能與碳鋼混用 ) ,否則會造成污染。
一般僅用于去除焊縫凸出部。 輕微修磨雖可去除熱回火色 ,但會留下冷加工后的微裂紋與折痕等 ,在侵蝕性環境下會產生縫隙腐蝕。 較重的研磨去除深度為 25～50μm時 ,除減少一般耐蝕性外 ,還可能產生加工硬化 ,增大表面殘余應力 ,有產生 SCC的危險。
研磨清理后為提高耐蝕性 ,尤其為避免 SCC,應再采用酸洗鈍化。
31414 不銹鋼絲刷擦拭
可有效去除熱回火色 、表面污染 ,但不能去除變色區下層的貧鉻層 ,為恢復耐蝕性 ,還必須酸洗。
31415 鏟削
主要用于去除焊道間焊渣及焊后清除某些損傷。
31416 機械拋光
為滿足某些需要 ,不銹鋼產品須進行精飾處理。

采用機械拋光 ,設備較簡單 、成本較低 ,但勞動條件差 ,對形狀復雜工件較難處理。 如用磨輪加研磨劑(氧化鋁、氧化鋯 )進行粗拋 ,再用風動軟拋輪加拋光劑進行亮拋 ,甚至鏡面拋 。 拋光時 ,總先用一種較粗糙磨料除去粗糙的刮痕和缺陷 ,然后繼續用越來越細的磨料加工出光滑的表面。 從光潔度來看 ,粗拋為 a4 ～a6、亮拋為 a7 ～a8、鏡面拋為 a9 ～a10。 在相同的光潔度下 ,機械拋光的耐蝕性不如電解拋光 ,這是由于機械拋光表面會出現不規則的晶面 。 電解拋光前一般先要進行機械拋光 ,而電解拋光后不宜進行機械拋光 。
315 電解清洗與電解拋光
電解清洗與電解拋光為電化學處理工藝 ,可提供更光亮的表面加工 。 雖在 ASTM A380 上未列出電拋光 ,但它常用于對潔凈有特殊要求的精飾 ,如醫藥、印染、乳品、核電、造紙 、生物工程與電子芯片的設備與管線 。 因為電解拋光的工件有光滑表面 ,污染物難于附著 ,容易清洗 、消毒與檢驗 。 電解清洗與拋光和電鍍工藝正好相反 ,即電流的極性接法相反 。
它可在大多數電鍍車間進行。 電解拋光與電解清洗工藝相同 ,但前者比后者一般需要較長時間進行 。
它不同于酸洗 ,電解拋光處理后表面光滑 、光亮 ,粗糙度可降低 25%。 電解拋光的表面較機械拋光的表面耐蝕性更高 ,對形狀復雜的部件特別有效 ,較好在電解拋光前先用 180 ～250 號磨料硏磨或機械拋光表面較好 , 但應避免在電解拋光后再進行機械拋光。
電解拋光工藝為工件浸沒在電解液中 ,電解液通常為磷酸或磷酸 +硫酸 +鉻酸 ,采用直流電源 ,陽極連接到不銹鋼工件 ,陰極采用銅 、鉛等合金 ,通過調節變更電流密度與控制拋光時間 ,使表面層凸部比凹部侵蝕得快 ,因而提高了表面光滑度。 電解拋光也可以局部進行 ,采用工具與電刷鍍筆基本相似 ,但工藝剛好相反 ,金屬被電解 ,而不是鍍新層 。 這里 ,拋光工具采用銅棒外包尼龍海綿作陰極 (連接絕緣手柄 ) ,蘸電解液 ,反復涂刷作陽極的不銹鋼工件 ,使該局部表面拋光。 對容器作大面積電拋光需大量電解液 ,不現實 ,可通過將容器轉動 ,逐部進行電拋光。 近年 ,蘭州化機院對較多大型壓力容器、干燥器、精細化工設備及各種管道內壁進行了電拋光工程施工 [ 6 ] 。
電解清洗與拋光可去除嵌入鐵 、熱回火色和非金屬夾雜物 ,但難于去除焊接缺陷。 進行電解拋光的不銹鋼 ,較好其雜質含量極低 ,因為雜質會破壞電解拋光獲得的高度光滑表面 。
電解拋光工序 :機械粗拋光 —去油污 —電解拋光 —清洗 —中和 —熱水沖洗 —干燥 —檢驗。
4 不銹鋼表面清理與耐蝕性
不銹鋼常應用于化工與石化設備 ,主要是利用其優異的耐蝕性 ,而通過表面清理 ,可使其發揮較大的耐蝕潛力。
411 不銹鋼表面清理提高耐蝕性的原因不銹鋼主要通過酸洗、鈍化與拋光使耐蝕性提高。
酸洗可去除游離鐵、鐵污染及其它金屬污染 ,去除氧化皮、熱回火色及焊渣等 ,對提高耐蝕性大有益處 ,尤其為鈍化創造條件。 特別是 ,熱處理與焊接造成的回 火 色 實 際 上 是 一 層 鉻 氧 化 皮 , 其 成 分 為FeCrN i的氧化物混合物 ,這層氧化薄膜底下含 Cr量較低 ,而 Cr是賦與不銹鋼良好的耐蝕性的主要成分 ,如不通過酸洗去除這層貧鉻層 ,則將成為晶間腐蝕的策源地。 酸洗不僅去除了貧鉻層 ,也去除了冷加工 (如打磨 ) 形成的殘余應力表面層 ,以提高抗SCC能力。 酸洗還能提高不銹鋼的臨界點蝕溫度 ,
比未處理的可提高 10℃,而機械清理會降低臨界點蝕溫度 ,所以較好機械清理后再進行酸洗。
鈍化是通過控制陽極過程而達到耐蝕狀態 ,鈍化的不銹鋼表面會形成一層 019～1nm 的保護膜 ,隔絕腐蝕介質 ,使鋼保持穩定 ,使電極電位移向正值0.8～1.0V,即提高了熱力學穩定性。 鈍化處理還可改善與防止局部腐蝕 ,如點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕與 SCC等發生 。
拋光通過提高表面光潔度 ,易生成完整的鈍化膜 ,其表面上氫的超電壓較高 ,所以耐蝕性較好 。 當然 ,拋光表面能避免結垢 ,便于清洗 ,防止垢下腐蝕 ,滿足工藝要求。 粗加工表面深凹部位往往成為腐蝕源。 這是因為除了氧進入少外 ,還容易凝集灰塵污垢。 如 PTA裝置干燥機內的 316鋼傳熱管外表面經拋光避免垢下腐蝕 (點坑蝕與 SCC) ,提高了使用壽命。
5 不銹鋼表面清理后的檢驗
ASTM A380介紹了不銹鋼表面清理后評定清潔度的若干方法 ,分為粗略檢查與精細檢查。 粗略檢查有肉眼檢查 、擦拭試驗 、水膜破裂試驗 、硫酸銅試驗等 。 精細檢查有溶劑環痕試驗、紫外線燈檢查 、赤血鹽試驗等。 其中 ,較有用的是水膜破裂試驗 ,通常被用來測定表面是否驅除了有機污染 ,僅適用于能浸入水中的物件 ,并應用高純水進行試驗 ;而硫酸銅與赤血鹽試驗比水膜試驗更敏感 ,對不銹鋼鈍化表面質量檢測特別有效 ,主要用于確定有否存在游離鐵。
根據 QJ 467—88“不銹鋼酸洗和化學鈍化技術條件 ”,采用外觀檢查 ,應在天然散射光下進行 ,光照度不低于 300 IX,必要時可用 3～5倍放大鏡 。 管件內表面檢查可用安全的低壓照明燈目視檢查。 對酸洗后表面 ,因材料成分不同應為無光的淺灰色至深灰色 ,但不允許有銹斑和殘余的氧化物 、機械雜質及未鈍化的點 。 而且不允許過腐蝕。 對鈍化膜完整檢查 ,可用中性鹽霧試驗 , ( 5% NaCl鹽霧不少于 2h) ,表面無銹蝕 。 也可用硫酸銅浸蝕試驗

7 結束語
不銹鋼設備設計與管理要考慮的重要因素之一 ,是需要在制作與使用過程中保持表面潔凈與避免沾污。 尤其是焊接與熱加工過程中必須避免將碳、硫 、鐵等雜質引入表面 ,而且焊接氛圍本身必須不含其它雜質 ,還應注意焊接過程在鋼表面形成的氧化物和熱回火色可能會導致腐蝕問題 。 酸洗鈍化是處理不銹鋼焊后較有效方法 。 不僅可確保美觀與表面質量 ,而且可提高耐腐蝕性 ,并對某些特殊潔凈要求提出精飾拋光 ,以避免產品污染