不銹鋼設備與系統表面鈍化處理的檢查和評定——ASME BPE非強制性附錄E的介紹和解讀

高賢申 曹燕秋 周立法

（森松集團（中國），上海201323）

0 引言

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

1 鈍化處理目的

當潔凈表面含氧時，不銹鋼合金表面鈍化或鈍化膜的形成是一種自然現象，鈍化膜的形成可能會因不銹鋼表面的化學處理而得到增強。

化學鈍化工藝準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，以確保金屬的最強耐腐蝕性，防止產品污染，達到所要求的表面狀態。最終化學鈍化的目的是去掉合金表面的鐵離子或其他污染物，使合金處于最強的耐腐蝕狀態。

對標準中耐腐蝕性能較強的不銹鋼（如316L）進行鈍化處理是最有益、最重要的。根據業主/用戶的選擇，鈍化可以用于減少鐵離子濃度和增強鉻含量。

在鈍化中，必須認識到最好的鈍化處理或任何表面處理僅使合金在特定環境下處于最強耐腐蝕的狀態。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合所要求的更高的耐腐蝕性能。

1.1 為什么對金屬表面要進行鈍化處理

盡管不銹鋼元件在安裝前是干凈的，鈍化膜是完整的，但是焊接過程中會破壞焊縫及熱影響區（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，當金屬熔化時，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鉻、鐵和氧的元素分布。

如不去除在制作過程中由熱產生的氧化和污染（特別是鐵元素），這可能會降低耐腐蝕性。焊后鈍化可以去除游離鐵離子，有助于恢復鈍化層，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的酸。因為鈍化通常僅僅用于已安裝的管道系統焊接完成后，焊接程序規定了減輕熱氧化形成的方法（參見ASME BPE MJ篇）。

制作、切割、彎曲等會產生污染物，會導致耐腐蝕性降低，如嵌入的鐵屑、熱印、焊條上的焊劑、電弧擊傷、油漆、記號等，暴露于碳鋼或鐵的環境中是特別有害的。通過去除污染物，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到原有鈍態。

1.2 何時必須進行鈍化

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

2 鈍化程序（參見ASME BPE SF篇）

2.1 程序說明

進行鈍化處理時應該得到每一種鈍化方法中已經焊接和未焊接的樣品元件或試樣，以證實該程序有能力滿足規定的特性，也就是說，可以滿足清潔度、表面化學性能和耐腐蝕性能要求。

用于評定元件和試樣鈍化的工藝應該是可以復制使用于目標系統的方法。

業主/用戶（或其代表）應審查程序說明和工藝評定文件。業主/用戶應負責審查用于其系統或元件的鈍化工藝是經過評定合格的。

2.2 程序評定

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

表1 鈍化工藝評定試樣的最低表面要求

鈍化程序評定至少應包括下述內容：

2.2.1 鈍化工藝說明

鈍化工藝說明至少應描述鈍化工藝過程（表2），可作為純化實施指南使用：（1）預鈍化及鈍化準備工作；（2）沖洗；（3）清洗；（4）鈍化；（5）最終沖洗；（6）檢查驗收。

2.2.2 基本參數（樣品鈍化工藝條件下）

應保持在規定的范圍內的基本參數有：

（1）鈍化時間；（2）鈍化液溫度；（3）鈍化液的基本化學性能；（4）鈍化結束條件；（5）最終去離子沖洗水的電導性（即純化水沖洗）。

2.2.3 工藝評定試樣的測試

工藝評定試樣的測試有：（1）ESCA（化學分析的電子能譜法）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），在焊縫和母材處測量，滿足表1的要求。

每種程序的評定方法必須有文件支持。上述所列基本參數的實際值和試樣測試結果應該形成文件并作為評定程序的一部分予以保存。

2.3 程序文件要求

鈍化處理時應編制和提供下述文件：（1）工藝說明；（2）基本參數；（3）每一種試樣評定時采用的測試方法：ESCA/XPS或AES或GD-OES。

表2 鈍化工藝過程描述匯總表

3 鈍化質量控制

3.1 鈍化質量控制的監督

質量控制監督對確保書面的評定合格鈍化程序得到遵守是必須的?；瘜W處理后必須采用去離子水或業主/用戶準予使用的水進行徹底充分地沖洗。良好的工程慣例是沖洗至通過電導率分析來確定，確保鐵離子污染物、工藝化學物、副產品等已去除。

業主/用戶或其指定代表應可得到并審查這些文件：（1）遵循了合格評定中的所有要求的書面文件規定；（2）最終沖洗應該滿足預設的電導率（質量）要求。

3.2 鈍化合格證明

鈍化處理應提供每一個系統或成套設備的鈍化合格證明。合格證明應包括，但不限于下述內容：（1）用戶名稱；（2）系統或部件描述；（3）操作者名稱；（4）鈍化評定合格的方法；（5）鈍化工藝文件，如書面評定合格的鈍化程序、基本參數工藝過程控制文件、儀表檢定記錄、所有采用化學物品的分析證書、工藝測試和驗證；（6）鈍化后驗收的方法。

4 清潔和鈍化后金屬表面的質量評價

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、電化學測試以及化學分析測試等方法進行檢查。

沒有萬能的驗收試驗可以確保元件或系統已經進行了鈍化處理或處于鈍態。如果系統/元件得到合適的化學鈍化處理，過程中產生的文件（上述已列出）必須確保元件或系統已經完成了規定的處理。作為給業主/用戶和其他相關方的指導，現編制了已清洗和/或鈍化后金屬表面狀況評價表（表3），以幫助確定按照特定的清洗或化學鈍化程序得到可接受的表面質量。

表3 已清洗和/或經鈍化后金屬表面狀況評價表（4種檢查方法）

續表

續表

4.2 經清洗或鈍化后與物料接觸表面的驗收準則

表3可用于指導已清洗的和/或鈍化的元件或系統驗收準則，是一張測試方法的簡化表，業主/用戶可用于選擇測試方法或便于理解測試公司提供的測試方案。

表3中的4種測試方式可分成以下幾組：（1）按照ASTM A380/A967進行的總體檢查（通過/失?。?；（2）按照ASTM A380/A967進行的精確檢查（通過/失?。?；（3）電化學現場和試驗臺測試；（4）表面化學分析測試。

表3中第1組和第2組反映了ASTM A380和ASTM A967這2個主要章節的內容。這些方法中最顯而易見的檢測方式是目視檢測，檢驗員應檢查潔凈表面有無氧化皮、皺皮、焊接氧化色/熱痕、污點、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得到的測試結果不包括鈍化，都是基于目視檢測，游離鐵出現污斑或氧化顏色變化，測試結果是主觀的、不定量的。但是，有些場合需要主觀和定量結果。目視檢驗驗收準則見ASTM A380和ASTM A967。

表3中第3組和第4組反映了2種清晰的定量測試方法。這些測試均不包含在ASTM標準中，這些方法在于為對已鈍化表面提供更多的定量分析方法。表3中第3組電化學現場和試驗臺測試，除環極化測量外，均適合于現場檢測，譬如已安裝管道系統的鈍化后檢測及已鈍化的焊接表面檢測。

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

無論何種測試方法，Cr/Fe比應該在1.0或大于1.0，因為精度不同，不能期望不同的測試方法有相同的結果。表3中第4組的表面化學分析測試包含了對不銹鋼表面鈍化層厚度和化學狀態進行評價的方法。環極化測量（表3中第3組）也可用于鈍化水平的定量評價。環極化測量及第4組（表3）中的方法也可用于隨系統放置一同進行鈍化處理的產品試樣。

4.3 驗收檢查準則附表

經清洗或鈍化后與物料接觸表面的驗收準則（表4）。

表4 與產品接觸鈍化金屬材料表面質量驗收準則

5 結語

依據ASME BPE附錄E的內容，本文對不銹鋼制品（設備與系統裝置）的鈍化處理作了介紹與解讀。側重點放在對鈍化工藝的描述與驗收檢測，供制藥企業、設備制造企業和生物工程安裝企業的工程技術人員參考，以期使我們的設計與制造標準與國際使用的標準一致，為中國制藥裝備走向國際市場打下良好的基礎。

［1］ ASME BPE［S］

［2］ Nonmandatory appendixE［S］

［3］ Passivation procedure qualification［S］