机电安装中不锈钢管道的酸洗钝化

刘哲铭

天俱时工程科技集团有限公司 -食品健康事业部

摘 要 机电安装常见的管线中不锈钢材质的比例越来越大，常用到的201、304以及316不锈钢都属于奥氏体不锈钢，即主要看重奥氏体不锈钢良好的耐腐蚀性能，但在运输、热处理、机械加工的过程中，其表面的氧化保护薄膜极易被污染甚至损坏，不能实现自发的钝化，从而导致局部的腐蚀甚至生锈。本文通过对比实验清晰展现酸洗钝化对奥氏体不锈钢的作用效果，同时，阐述了不锈钢管线外壁焊缝及内壁酸洗钝化工艺的实施过程和处理要求，为今后不锈钢管线的高效酸洗钝化提供参考，并为延长不锈钢管线使用寿命发挥积极作用。

关键词 机电安装 奥氏体不锈钢 酸洗钝化

引言

奥氏体不锈钢得益于其自身优良的耐腐蚀性能、较好的抗晶间腐蚀性能、优良的冷热加工和机械性能、较好的低温性能、良好的焊接性能，在多种性能下的高性价比令其广泛用于化工、石油、医药、轻工、动力、核工程、航天航空等领域，而在使用过程中，材料的淘汰更换主要由于其发生腐蚀，此更换过程需要投入大量的人力、财力，因此我们需要通过酸洗钝化将其耐蚀能力发挥到最大，同时也能令其更加美观。

一 奥氏体不锈钢组织分析及腐蚀类型

1 组织分析

奥氏体不锈钢中铬的含量超过18%，镍、钼、钛、氮等元素占8%左右。不锈钢管道所使用的的奥氏体不锈钢都是固溶处理过的，即将钼钢加热到1050~1150℃后水冷处理，以获得单项奥氏体组织。

2 易发生腐蚀的原因及腐蚀类型

易发生腐蚀的原因：材料中含硫、磷等杂质有利于与腐蚀介质形成原电池而发生电化学腐蚀。

腐蚀类型：

（1）碳钢等易生锈物质的附着与腐蚀介质形成原电池而发生电化学腐蚀，尤其是施工过程中切割、打磨的飞溅物或与碳钢件接触造成划伤；

（2）焊接对材料造成的物理缺陷（咬边、未熔合、未焊透、充气不完全导致的氧化变色等）和化学缺陷（晶界贫铬、晶粒粗大等）与腐蚀介质形成原电池而发生电化学腐蚀；

（3）材料所处环境中氯离子、溴离子或其他氧化性金属离子含量过高，令不锈钢发生点蚀，将钝化膜破坏后形成的腐蚀介质进一步与不锈钢本体形成原电池而发生电化学腐蚀；

（4）材料在运输或安装过程中的磕碰、刮蹭等使得其表面的钝化膜被破坏，保护能力降低，易与化学介质发生化学反应产生化学腐蚀而生锈。

二 不锈钢耐蚀原理

不锈钢抗腐蚀性能主要是由于表面覆盖着一层极薄的(1nm)致密的钝化膜，这层膜将腐蚀介质与材料隔离，是不锈钢防护的保护屏障。由上述腐蚀类型分析可以看出不锈钢的腐蚀主要是电化学腐蚀，而钝化膜作为一个有效的阻挡层，使阳极反应速度大大降低。通常在有还原剂的介质中（如环境中的氯离子）容易被破坏，但在有氧化剂的介质中（如直接接触到的空气）可以保持或修复。但这种膜的保护性不够稳定，不够均匀平衡，而且很容易在机电安装过程中将其破坏掉，因而后续的酸洗钝化工作就显得格外的重要。

三 酸洗钝化的原理及作用

酸洗钝化通常先要进行彻底清洗，包括碱洗与酸洗，再用氧化剂进行钝化，从而保证钝化膜的完整性与稳定性。酸洗的目的之一是为钝化处理创造有利条件，保证形成优质的钝化膜。通过酸洗将使不锈钢10μm厚的一层表面腐蚀，酸液的化学活性使得缺陷部位的溶解率比表面上其它部位高，因此酸洗可使整个表面趋于均匀平衡，一些原来容易造成腐蚀的隐患被清除掉了，该层物质大多是焊接、高温过程中产生的致密难溶氧化皮（主要成分见表1），这层氧化皮中含有大量的氧化铬、氧化镍并含有十分难溶的氧化铁铬（FeO.Cr₂O₃），去除该层物质后也会令不锈钢管道银亮有光。通过酸洗钝化整个过程，使铁与铁的氧化物比铬与铬的氧化物优先溶解，去掉了不锈钢表面的贫铬层，造成铬在材料表面富集，这种富铬钝化膜的电位可达+1.0V(SCE)，接近贵金属的电位，因此提高了不锈钢表面抗腐蚀性及稳定性。

表1 不锈钢氧化皮的组成

四 酸洗钝化对比实验

为更直观表现酸洗钝化对奥氏体不锈钢表面性能的影响，本文进行三组对比实验。

将三个奥氏体不锈钢试件做酸洗钝化处理，得到酸洗钝化处理过的试件（a1,b1,c1）并设置空白对比试件(a2,b2,c2)。将三组试件分别做外观对比，触铜检验，盐雾试验。

图1为酸洗钝化试件与空白试件外观对比图。由图1可知，经过酸洗钝化后的试件（a1）表面呈均匀的银白色，富有光泽，而未经酸洗钝化的试件（a2）表面有颜色不均匀的斑痕。

图2为酸洗钝化试件与空白试件触铜检验对比图。由图2可知，经过酸洗钝化后的试件（b1）经过触铜检验后表面并无铜被析出的红色痕迹，而未经酸洗钝化的试件（b2）表面全部析出铜，由此组对比可证明酸洗钝化可提高不锈钢表面稳定性。

图3为酸洗钝化试件与空白对比试件测试盐雾试验对比图。由图3可知，经过酸洗钝化后的试件（c1）在经过盐雾腐蚀后表面仍银白有光，而未经酸洗钝化的试件（c2）表明有明显的被腐蚀痕迹，由此组对比可证明酸洗钝化可提高不锈钢表面抗腐蚀性。

图1 酸洗钝化试件与空白试件外观对比图 图2 酸洗钝化试件与空白试件触铜检验对比图

图3 酸洗钝化试件与空白对比试件测试盐雾试验对比图

五 机电安装中主要涉及到的酸洗钝化

在机电安装过程中涉及到的酸洗钝化大致有三种：对不锈钢管线外表面焊缝的酸洗钝化、内部循环酸洗钝化以及整体浸泡式酸洗钝化。因机电安装过程中接触到的大部分管线需要组对焊接，所以大多情况下都是对不锈钢管线外表面和内部分别进行酸洗钝化。本文也将对此部分进行重点描述。

五 不锈钢管线外壁焊缝的酸洗钝化

1 准备工作

完成对待酸洗钝化管线的焊接、无损探伤及泄压工作，并根据业主方要求对待酸洗钝化管线检查合格，准备好清理清洁所需工具（不锈钢钢丝刷、氧化铝砂轮机、百洁布等）。

2 安全措施

（1）参与酸洗钝化的人员必须经过严格的安全技术交底，清楚酸洗钝化工作的危险，经严格的培训后方可进行操作；

（2）操作人员在操作时，必须穿好耐酸服，带好防酸碱手套，防护眼罩与自吸过滤式防毒面具，也可选择防尘毒全面防护面具，同时为紧急事故处理准备足够的冲洗水和药品；

（3）酸洗钝化后的试剂及冲洗用水不得随便丢弃排放，当现场污水处理中心可以处理时可集中进行处理，不具备条件时应设置专门的容器进行收集，集中中和处理后排放或运送至指定处理中心进行处理；

（4）操作区域划分设置隔离带、警示墩，并安排专人进行监守看护。

3 预清洗

用不锈钢钢丝刷或氧化铝砂轮机清理焊缝附近的焊渣、飞溅物等异物，用清洁的自来水冲洗管道表面，冲去油脂、泥污、沙粒等污染物，油污严重的地方需用质量浓度3%左右的碱液进行清除并用清水冲洗至表面pH值为中性，需要注意的是清洗用水的pH应在6.5~7.5，氯离子含量不得超过30ppm。

4 正式酸洗钝化

（1）酸洗膏与钝化膏的选择：

大多数人都存在一个误区即认为酸洗钝化是一个过程，其实不然，如上述所说酸洗钝化是需先酸洗后再进行钝化，因为以Cr₂O₃为主的不锈钢氧化皮性质稳定、结构致密、与材料本体附着牢固，即使在80℃的高温环境中也不溶于硫酸、盐酸等无机酸，需要用腐蚀性更强的混酸。奥氏体不锈钢的酸洗膏通常用到硝酸和氢氟酸的混酸，配比比例（体积分数）约为硝酸15%~25%，氢氟酸5%~8%，凝胶粘合剂30%~65%，余量用去离子水进行填补调节粘度，常用的钝化膏配比比例（体积分数）约为硝酸25%~35%，凝胶粘合剂20%~55%，余量用去离子进行填补调节粘度，酸洗钝化过程中用到的用到的化学试剂应至少为工业纯或更高等级。

（2）酸洗

1）涂抹酸洗膏

用耐酸的毛刷将酸洗膏均匀的涂抹于管道外表面需酸洗钝化处(有些管道出场时已整体酸洗钝化过，则可仅对焊缝处及其他钝化膜破损处进行涂抹)，厚度约为2-3mm，此时需注意防护好被酸洗钝化管线附近的其他管线，防止意外飞溅。

2）酸洗时间

对焊缝的酸洗因工况的限制大部分只能在常温下进行操作，若温度过低（尤其冬季环境温度过低）可以采用加长酸洗时间来弥补，常温下30分钟的酸洗时间为可适当延长到60分钟，但注意不要过度酸洗导致焊缝和管道本体被腐蚀。

3）清洁干燥

酸洗完成后先用抹布擦去酸洗膏，再用碳酸钠溶液中和表面酸洗膏至pH大于7，最后用清洁的自来水进行冲洗至检测管道表面为中性，清洗完毕后自然晾干，有条件可用干燥、无油压缩空气或氮气进行吹干。

（3）钝化

同酸洗的整个流程一样，涂抹准备好的钝化膏后进行不锈钢管线的钝化，常温下1小时的钝化时间可适当延长到2小时，尤其需要注意的是钝化膏的中和要仔细彻底，避免残留钝化液造成后续的腐蚀，多次冲洗后吹干。

5 清洗检验

不锈钢管线检验酸洗钝化过程是否合格的重要一步即为蓝点试验，试剂可用1克铁氰化钾K₃[Fe(CN₆)]加3毫升(65%~85%)硝酸HN0₃和100毫升水配制成溶液（试剂储存期仅为一周，最好现配现用），把用蓝点检验液滴在张贴于不锈钢表面的试纸上，30秒时观察是否有蓝点出现，有蓝点出现（如图1）意味着管道表面存在亚铁离子可以与溶液反应产生蓝色沉淀，即钝化膜不完整，酸洗钝化不合格，须返工重新进行酸洗钝化直至无蓝点产生，从而得到合格的奥氏体不锈钢管道。

图1 蓝点试验中有蓝点产生

六 不锈钢管线内部的酸洗钝化

1 准备工作

完成对待酸洗钝化管线的焊接、无损探伤及泄压工作，并根据业主方要求对待酸洗钝化管线检查合格，如系统不具备条件需自行准备好管线循环所需的耐酸碱调配罐及循环泵，将管线系统上不耐酸碱的仪表（如变送器、电导率检测等）拆卸并临时封堵，保证全部管线连接为一个循环系统，调配罐内水量需保证该循环管线足够满管运行。

2 安全措施

此过程中安全措施与管线外壁酸洗钝化的安全措施保持一致，需要额外注意的是循环系统可能排布范围较大，各区域需安排人员不断巡视，以免泄露的酸或碱造成更大的损失，关闭系统上全部使用点处的阀门并对调配桶循环泵附近的设备进行防护。

3 预清洗

在贮存罐中注入足够的常温自来水，Cl离子浓度低于30ppm，若系统洁净度较高（如纯化水、注射水等）应使用去离子水，用水泵加以循环，15分钟后打开排水阀，边循环边排放，如果目测纯水不够清洁,必须再用新水冲洗直至纯水目测无杂质。

4 碱洗及冲洗

在调配罐中准备好质量分数3%左右的NaOH碱液，用泵加以循环，加热至70度后，循环 120分钟 （如不能加热，推荐在环境温度下循环时间180分钟），循环完成后排放汇总至收集罐中，各用点处要注意排净，然后将清洁自来水（去离子水）加入调配罐，启动水泵冲洗10分钟，打开排水阀排放，检测排出水的pH值是否在原清洁水pH值的±10%的范围内，如果没有，继续用新水冲洗10分钟， 如此重复冲洗直到出口水pH值达到原清洁水的pH值的±10%的范围内，完成碱洗，全部排放液集中中和处理后排放或运送至指定处进行处理。

5 酸洗及钝化

在调配罐中准备好体积分数25%~35%的硝酸溶液，用泵加以循环，并加热至60度，循环120分钟（如不能加热，推荐在环境温度下，循环时间180分钟），循环完成后排放汇总至收集罐中，各用点处要注意排净，然后将质量分数5%的NaOH加入调配罐，启动水泵循环5分钟后打开排水阀排放，如此重复多次检测排出水的pH值为弱碱性或中性，则换用新水冲洗，直到出口水的pH值达到原清洁水pH值的±10%的范围内，完成酸洗，全部排放液集中中和处理后排放或运送至指定处进行处理。需要说明的是机电安装过程中一般需要管道内部酸洗钝化的系统通常要求级别较高，管道出厂时内部均已酸洗钝化过甚至电抛光处理过，因而酸洗钝化只针对内窥镜下合格的焊缝，两项操作通常在浓硝酸状态下循环合并为一步完成。当前大环境下，传统的硝酸被管控而且危害性和污染性较大，逐渐有使用有机酸如柠檬酸配合缓蚀剂完成酸洗钝化过程的，可根据实际情况决定。

6 清洗检验

此过程中检验方式也同样使用蓝点检验液进行检验，最终得到合格的奥氏体不锈钢管道。

七 结论

机电安装过程中对不锈钢管道的酸洗钝化，可以减少质保期内更换管道或事故造成的损失，在交付合格的管道系统同时也节省了成本，有一套自己成熟的管道酸洗钝化操作章程也必将是行业发展的大趋势。

参考文献

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