不銹鋼設(shè)備與系統(tǒng)表面鈍化處理的檢查和評(píng)定——ASME BPE非強(qiáng)制性附錄E的介紹和解讀

高賢申 曹燕秋 周立法

（森松集團(tuán)（中國(guó)），上海201323）

0 引言

ASME BPE（2012版）非強(qiáng)制性附錄E“鈍化評(píng)定程序”描述了不銹鋼表面鈍化處理的準(zhǔn)備和實(shí)施程序，包括特定系統(tǒng)從最初的水沖洗、化學(xué)清洗與脫脂、鈍化到最終沖洗以及生物工程的設(shè)備制造、安裝或改造。這些程序適用于316L不銹鋼及高合金鋼，程序規(guī)定了凡與生物工程、制藥及護(hù)膚化妝產(chǎn)品接觸的系統(tǒng)和元件表面的鈍化工藝評(píng)定的方法，還提供了鈍化程序和表面測(cè)試可用于不銹鋼表面的不同的鈍化方式。

1 鈍化處理目的

當(dāng)潔凈表面含氧時(shí)，不銹鋼合金表面鈍化或鈍化膜的形成是一種自然現(xiàn)象，鈍化膜的形成可能會(huì)因不銹鋼表面的化學(xué)處理而得到增強(qiáng)。

化學(xué)鈍化工藝準(zhǔn)備的先決條件是清洗程序。該程序包括所有去除表面污染物（油、脂等）的必要操作，以確保金屬的最強(qiáng)耐腐蝕性，防止產(chǎn)品污染，達(dá)到所要求的表面狀態(tài)。最終化學(xué)鈍化的目的是去掉合金表面的鐵離子或其他污染物，使合金處于最強(qiáng)的耐腐蝕狀態(tài)。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中耐腐蝕性能較強(qiáng)的不銹鋼（如316L）進(jìn)行鈍化處理是最有益、最重要的。根據(jù)業(yè)主/用戶的選擇，鈍化可以用于減少鐵離子濃度和增強(qiáng)鉻含量。

在鈍化中，必須認(rèn)識(shí)到最好的鈍化處理或任何表面處理僅使合金在特定環(huán)境下處于最強(qiáng)耐腐蝕的狀態(tài)。換言之，合金材料具有固有的耐腐蝕極限，最好的鈍化處理也不能代替合金材料滿足某種場(chǎng)合所要求的更高的耐腐蝕性能。

1.1 為什么對(duì)金屬表面要進(jìn)行鈍化處理

盡管不銹鋼元件在安裝前是干凈的，鈍化膜是完整的，但是焊接過(guò)程中會(huì)破壞焊縫及熱影響區(qū)（HAZ）的鈍化膜。在鈍化膜中，鉻元素的含量通常高于鐵元素含量，當(dāng)金屬熔化時(shí)，鐵元素濃度提高，而鉻元素含量降低，這就擾亂了焊縫和熱影響區(qū)鉻、鐵和氧的元素分布。

如不去除在制作過(guò)程中由熱產(chǎn)生的氧化和污染（特別是鐵元素），這可能會(huì)降低耐腐蝕性。焊后鈍化可以去除游離鐵離子，有助于恢復(fù)鈍化層，但不能去除由熱引起的氧化顏色。去除熱氧化顏色需要采用比鈍化所用硝酸或檸檬酸更強(qiáng)的酸。因?yàn)殁g化通常僅僅用于已安裝的管道系統(tǒng)焊接完成后，焊接程序規(guī)定了減輕熱氧化形成的方法（參見ASME BPE MJ篇）。

制作、切割、彎曲等會(huì)產(chǎn)生污染物，會(huì)導(dǎo)致耐腐蝕性降低，如嵌入的鐵屑、熱印、焊條上的焊劑、電弧擊傷、油漆、記號(hào)等，暴露于碳鋼或鐵的環(huán)境中是特別有害的。通過(guò)去除污染物，特別是游離鐵，鈍化處理有助于把在制作期間受到損傷的不銹鋼恢復(fù)到原有鈍態(tài)。

1.2 何時(shí)必須進(jìn)行鈍化

必須進(jìn)行鈍化處理的情況有：（1）焊接和制作完成后，業(yè)主/用戶可能規(guī)定已焊元件在焊接后進(jìn)行電解拋光的元件需要鈍化處理；（2）新裝入系統(tǒng)的元件焊接完成后，需要鈍化處理。

2 鈍化程序（參見ASME BPE SF篇）

2.1 程序說(shuō)明

進(jìn)行鈍化處理時(shí)應(yīng)該得到每一種鈍化方法中已經(jīng)焊接和未焊接的樣品元件或試樣，以證實(shí)該程序有能力滿足規(guī)定的特性，也就是說(shuō)，可以滿足清潔度、表面化學(xué)性能和耐腐蝕性能要求。

用于評(píng)定元件和試樣鈍化的工藝應(yīng)該是可以復(fù)制使用于目標(biāo)系統(tǒng)的方法。

業(yè)主/用戶（或其代表）應(yīng)審查程序說(shuō)明和工藝評(píng)定文件。業(yè)主/用戶應(yīng)負(fù)責(zé)審查用于其系統(tǒng)或元件的鈍化工藝是經(jīng)過(guò)評(píng)定合格的。

2.2 程序評(píng)定

鈍化處理應(yīng)制定每一種方法的鈍化程序。程序應(yīng)明確用于評(píng)定樣品有效去除鐵離子并滿足工藝評(píng)定試樣的最低表面要求（表1）的基本參數(shù)。

表1 鈍化工藝評(píng)定試樣的最低表面要求

鈍化程序評(píng)定至少應(yīng)包括下述內(nèi)容：

2.2.1 鈍化工藝說(shuō)明

鈍化工藝說(shuō)明至少應(yīng)描述鈍化工藝過(guò)程（表2），可作為純化實(shí)施指南使用：（1）預(yù)鈍化及鈍化準(zhǔn)備工作；（2）沖洗；（3）清洗；（4）鈍化；（5）最終沖洗；（6）檢查驗(yàn)收。

2.2.2 基本參數(shù)（樣品鈍化工藝條件下）

應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)的基本參數(shù)有：

（1）鈍化時(shí)間；（2）鈍化液溫度；（3）鈍化液的基本化學(xué)性能；（4）鈍化結(jié)束條件；（5）最終去離子沖洗水的電導(dǎo)性（即純化水沖洗）。

2.2.3 工藝評(píng)定試樣的測(cè)試

工藝評(píng)定試樣的測(cè)試有：（1）ESCA（化學(xué)分析的電子能譜法）通常是指XPS（X射線光電子能譜法），在焊縫和母材處測(cè)量，滿足表1的要求；（2）AES（俄歇電子光譜法），在焊縫和母材處測(cè)量，滿足表1的要求；（3）GD-OES（輝光放電電子光譜法），在焊縫和母材處測(cè)量，滿足表1的要求。

每種程序的評(píng)定方法必須有文件支持。上述所列基本參數(shù)的實(shí)際值和試樣測(cè)試結(jié)果應(yīng)該形成文件并作為評(píng)定程序的一部分予以保存。

2.3 程序文件要求

鈍化處理時(shí)應(yīng)編制和提供下述文件：（1）工藝說(shuō)明；（2）基本參數(shù)；（3）每一種試樣評(píng)定時(shí)采用的測(cè)試方法：ESCA/XPS或AES或GD-OES。

表2 鈍化工藝過(guò)程描述匯總表

3 鈍化質(zhì)量控制

3.1 鈍化質(zhì)量控制的監(jiān)督

質(zhì)量控制監(jiān)督對(duì)確保書面的評(píng)定合格鈍化程序得到遵守是必須的?；瘜W(xué)處理后必須采用去離子水或業(yè)主/用戶準(zhǔn)予使用的水進(jìn)行徹底充分地沖洗。良好的工程慣例是沖洗至通過(guò)電導(dǎo)率分析來(lái)確定，確保鐵離子污染物、工藝化學(xué)物、副產(chǎn)品等已去除。

業(yè)主/用戶或其指定代表應(yīng)可得到并審查這些文件：（1）遵循了合格評(píng)定中的所有要求的書面文件規(guī)定；（2）最終沖洗應(yīng)該滿足預(yù)設(shè)的電導(dǎo)率（質(zhì)量）要求。

3.2 鈍化合格證明

鈍化處理應(yīng)提供每一個(gè)系統(tǒng)或成套設(shè)備的鈍化合格證明。合格證明應(yīng)包括，但不限于下述內(nèi)容：（1）用戶名稱；（2）系統(tǒng)或部件描述；（3）操作者名稱；（4）鈍化評(píng)定合格的方法；（5）鈍化工藝文件，如書面評(píng)定合格的鈍化程序、基本參數(shù)工藝過(guò)程控制文件、儀表檢定記錄、所有采用化學(xué)物品的分析證書、工藝測(cè)試和驗(yàn)證；（6）鈍化后驗(yàn)收的方法。

4 清潔和鈍化后金屬表面的質(zhì)量評(píng)價(jià)

4.1 鈍化處理后金屬表面的4種檢查方法

鈍化處理可采用總體檢查、精確檢查、電化學(xué)測(cè)試以及化學(xué)分析測(cè)試等方法進(jìn)行檢查。

沒(méi)有萬(wàn)能的驗(yàn)收試驗(yàn)可以確保元件或系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了鈍化處理或處于鈍態(tài)。如果系統(tǒng)/元件得到合適的化學(xué)鈍化處理，過(guò)程中產(chǎn)生的文件（上述已列出）必須確保元件或系統(tǒng)已經(jīng)完成了規(guī)定的處理。作為給業(yè)主/用戶和其他相關(guān)方的指導(dǎo)，現(xiàn)編制了已清洗和/或鈍化后金屬表面狀況評(píng)價(jià)表（表3），以幫助確定按照特定的清洗或化學(xué)鈍化程序得到可接受的表面質(zhì)量。

表3 已清洗和/或經(jīng)鈍化后金屬表面狀況評(píng)價(jià)表（4種檢查方法）

續(xù)表

續(xù)表

4.2 經(jīng)清洗或鈍化后與物料接觸表面的驗(yàn)收準(zhǔn)則

表3可用于指導(dǎo)已清洗的和/或鈍化的元件或系統(tǒng)驗(yàn)收準(zhǔn)則，是一張測(cè)試方法的簡(jiǎn)化表，業(yè)主/用戶可用于選擇測(cè)試方法或便于理解測(cè)試公司提供的測(cè)試方案。

表3中的4種測(cè)試方式可分成以下幾組：（1）按照ASTM A380/A967進(jìn)行的總體檢查（通過(guò)/失?。?；（2）按照ASTM A380/A967進(jìn)行的精確檢查（通過(guò)/失敗）；（3）電化學(xué)現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試；（4）表面化學(xué)分析測(cè)試。

表3中第1組和第2組反映了ASTM A380和ASTM A967這2個(gè)主要章節(jié)的內(nèi)容。這些方法中最顯而易見的檢測(cè)方式是目視檢測(cè)，檢驗(yàn)員應(yīng)檢查潔凈表面有無(wú)氧化皮、皺皮、焊接氧化色/熱痕、污點(diǎn)、臟物、油類、脂類或任何阻礙鈍化液接觸金屬表面的沉積物。

從ASTM A967得到的測(cè)試結(jié)果不包括鈍化，都是基于目視檢測(cè)，游離鐵出現(xiàn)污斑或氧化顏色變化，測(cè)試結(jié)果是主觀的、不定量的。但是，有些場(chǎng)合需要主觀和定量結(jié)果。目視檢驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則見ASTM A380和ASTM A967。

表3中第3組和第4組反映了2種清晰的定量測(cè)試方法。這些測(cè)試均不包含在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，這些方法在于為對(duì)已鈍化表面提供更多的定量分析方法。表3中第3組電化學(xué)現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，除環(huán)極化測(cè)量外，均適合于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，譬如已安裝管道系統(tǒng)的鈍化后檢測(cè)及已鈍化的焊接表面檢測(cè)。

如果使用的鈍化方法得當(dāng)，316L不銹鋼表面經(jīng)鈍化后，能顯著地增加鉻鐵比（Cr/Fe）。化學(xué)鈍化處理后，鈍化層性能提高程度檢測(cè)的方法是通過(guò)AES、GD-OES或ESCA確定Cr/Fe比，然而該程序不易用于現(xiàn)場(chǎng)，但編制鈍化程序仍是有益的。

無(wú)論何種測(cè)試方法，Cr/Fe比應(yīng)該在1.0或大于1.0，因?yàn)榫炔煌荒芷谕煌臏y(cè)試方法有相同的結(jié)果。表3中第4組的表面化學(xué)分析測(cè)試包含了對(duì)不銹鋼表面鈍化層厚度和化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。環(huán)極化測(cè)量（表3中第3組）也可用于鈍化水平的定量評(píng)價(jià)。環(huán)極化測(cè)量及第4組（表3）中的方法也可用于隨系統(tǒng)放置一同進(jìn)行鈍化處理的產(chǎn)品試樣。

4.3 驗(yàn)收檢查準(zhǔn)則附表

經(jīng)清洗或鈍化后與物料接觸表面的驗(yàn)收準(zhǔn)則（表4）。

表4 與產(chǎn)品接觸鈍化金屬材料表面質(zhì)量驗(yàn)收準(zhǔn)則

5 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)ASME BPE附錄E的內(nèi)容，本文對(duì)不銹鋼制品（設(shè)備與系統(tǒng)裝置）的鈍化處理作了介紹與解讀。側(cè)重點(diǎn)放在對(duì)鈍化工藝的描述與驗(yàn)收檢測(cè)，供制藥企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)和生物工程安裝企業(yè)的工程技術(shù)人員參考，以期使我們的設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際使用的標(biāo)準(zhǔn)一致，為中國(guó)制藥裝備走向國(guó)際市場(chǎng)打下良好的基礎(chǔ)。

［1］ ASME BPE［S］

［2］ Nonmandatory appendixE［S］

［3］ Passivation procedure qualification［S］