1、啤酒廠使用的不銹鋼的性能

啤酒釀造工藝的關(guān)鍵是制麥芽的谷物，傳統(tǒng)上用大麥，但也可以用小麥或黑麥。許多啤酒使用大麥麥芽和其他類(lèi)型麥芽的混合物。當(dāng)使谷物發(fā)芽時(shí)產(chǎn)生麥芽，然后在窯內(nèi)烘干，有時(shí)候要經(jīng)過(guò)烘烤。發(fā)芽過(guò)程產(chǎn)生大量的酶。根據(jù)烘烤的程度，麥芽的顏色將變深，強(qiáng)烈影響啤酒的顏色和口感。

麥芽被壓碎，使谷粒開(kāi)裂，增加它們的表面積，開(kāi)裂的谷粒與殼分離。得到的谷物在容器中與熱水混合，該工藝被稱(chēng)為“糖化”。 在此過(guò)程中，麥芽?jī)?nèi)的天然酶分解將大部分淀粉變成糖，它在發(fā)酵過(guò)程中起著重要的作用。糖化通常要用一到兩個(gè)小時(shí)，在此期間，根據(jù)所用麥芽的種類(lèi)、它的改性程度和啤酒廠技師的希望保持在不同的溫度（等待周期）激活不同的酶。這些酶的激活是將谷物的淀粉轉(zhuǎn)化為發(fā)酵的糖類(lèi)，如麥芽糖。通常糖化桶有一個(gè)開(kāi)槽的“假底”或其他的多管形式，它起過(guò)濾器的作用，能夠?qū)⒁后w與谷物分離。

糖化溫度保持在49～55℃（120～130℉）使各種蛋白質(zhì)激活， 它可以分解蛋白質(zhì)， 否則會(huì)使啤酒變得混濁。最后， 使用6 5 ～ 7 1 ℃（149～160℉）的糖化保持溫度將麥芽中的淀粉轉(zhuǎn)化為糖，然后在啤酒釀造工藝中加入酵母發(fā)酵。此處，液體被稱(chēng)為麥汁。麥汁與啤酒花一起煮沸，有時(shí)與其他配料如香草或糖一起煮沸。煮沸工藝的作用是結(jié)束發(fā)酵過(guò)程、凝結(jié)蛋白質(zhì)、同分異構(gòu)啤酒花樹(shù)脂，使麥汁濃縮并被滅菌。啤酒花將香料、香味和苦味帶到啤酒中。在沸騰結(jié)束后，加入啤酒花的麥汁被放在一個(gè)被稱(chēng)為“旋渦池”的容器中沉淀使它澄清，然后澄清的麥汁被冷卻。

此后，麥汁被轉(zhuǎn)移到一個(gè)發(fā)酵容器中，容器中加有酵母或含有酵母的“柏油脂”。通過(guò)一種叫做糖酵解的工藝酵母將麥芽糖轉(zhuǎn)化成酒精、二氧化碳和其他復(fù)合物。一到三個(gè)星期后，新鮮的（或“生的”）啤酒流進(jìn)調(diào)節(jié)罐中。調(diào)節(jié)一個(gè)星期到幾個(gè)月后，啤酒常常需要進(jìn)行過(guò)濾，去掉酵母和顆粒物。然后“鮮亮”的啤酒隨時(shí)可以供應(yīng)或包裝。

上述提到的所有容器和管道要定期采用CIP（現(xiàn)場(chǎng)清潔）清潔。噴頭噴2%氫氧化鈉，80～90℃，目的是對(duì)設(shè)備進(jìn)行清潔和殺菌。為了獲得最好的清潔效果，容器和管道良好的表面狀態(tài)是非常關(guān)鍵的。

直到上世紀(jì)50年代，容器和管道的選材還主要是銅合金。從上世紀(jì)60年代起，工業(yè)規(guī)模的啤酒釀造過(guò)程中銅合金全部被不銹鋼代替，主要是AISI 304，有時(shí)使用AISI 316。老啤酒師強(qiáng)調(diào)用銅而不愿意用不銹鋼，認(rèn)為銅可使啤酒的口感更好，以至于在過(guò)去幾十年中在不銹鋼容器中使用銅棒。然而，這種說(shuō)法從未被品酒小組證實(shí)過(guò)，因此，上世紀(jì)80年代起幾乎不再使用銅棒。一個(gè)令人感興趣的發(fā)展是經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼（LDX）的出現(xiàn)，用于制造容器和貯罐。這些LDX不銹鋼的耐腐蝕性能與AISI 304相當(dāng)；然而它們的強(qiáng)度高于304，而且在溫度高于60℃時(shí)不容易產(chǎn)生氯化物開(kāi)裂。提供的合金成分也比較便宜(見(jiàn)表1)。

標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼和6%Mo合金在啤酒廠或大多數(shù)其他食品和飲料行業(yè)中幾乎從不使用。

　熱水管隔熱層下的氯化物開(kāi)裂。裂紋在縱向焊管從外到內(nèi)呈河流三角洲圖形擴(kuò)展。這導(dǎo)致泄漏，將隔熱材料弄濕，加劇了新的裂紋和泄漏的形成

糖化的麥芽、麥芽汁和啤酒不腐蝕不銹鋼，甚至在沸點(diǎn)也不腐蝕。但是，冷加工后的不銹鋼在60℃以上使用時(shí)容易產(chǎn)生氯化物開(kāi)裂。通常，釀造液也不腐蝕AISI 304不銹鋼。只是在啤酒釀造使用軟水時(shí)，由于氯化物含量相當(dāng)高，可能會(huì)導(dǎo)致選擇AISI 316不銹鋼。如果因?yàn)槟撤N原因如雨水或清洗工作導(dǎo)致隔熱材料潮濕，主要在高溫管道和容器外部會(huì)出現(xiàn)這類(lèi)問(wèn)題。

由于薄壁管的生產(chǎn)工藝，管子的外部受到的是拉伸應(yīng)力。啤酒廠所用材料使用性能方面的問(wèn)題主要是高溫區(qū)的氯化物開(kāi)裂。LDX不銹鋼可提供更有效和更經(jīng)濟(jì)的解決方案，主要是用于制作容器。避免氯化物開(kāi)裂的另一方面是保持高溫管道和容器外面的隔熱材料干燥。對(duì)于容器，改進(jìn)焊接工藝和避免高的內(nèi)應(yīng)力就會(huì)避免出現(xiàn)氯化物開(kāi)裂問(wèn)題。如果容器發(fā)生泄漏，它們常常是由于焊接質(zhì)量達(dá)不到要求或高疲勞負(fù)荷引起的。CIP（現(xiàn)場(chǎng)清潔）對(duì)不銹鋼不產(chǎn)生腐蝕，但是在極端條件下，對(duì)冷成型程度高的不銹鋼可能會(huì)引起氯化物開(kāi)裂。

與應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂失效機(jī)理相似的是疲勞腐蝕。糖化罐中疲勞腐蝕的一個(gè)實(shí)例是谷粒倉(cāng)口。糖化和加熱后，谷粒與麥汁分離，通過(guò)谷粒倉(cāng)口排出。排出的谷粒產(chǎn)生的沖擊和高載荷沿著正對(duì)倉(cāng)口的區(qū)域的焊縫邊產(chǎn)生疲勞腐蝕裂紋。某些地方發(fā)生泄漏是由于工作質(zhì)量差而引起的。一個(gè)實(shí)例是由于氯化物開(kāi)裂和熱疲勞導(dǎo)致麥芽汁容器從外到內(nèi)出現(xiàn)開(kāi)裂。蒸汽加熱螺旋管焊接時(shí)若存在很高的焊接內(nèi)應(yīng)力，則可能產(chǎn)生貫穿不銹鋼容器壁的開(kāi)裂。

　304不銹鋼麥汁容器內(nèi)，糖化的谷粒倉(cāng)口周?chē)母g疲勞裂紋。容器在高溫下工作，由于氯化物開(kāi)裂和疲勞共同作用，高溫加速了裂紋增大的速度

　由于在容器壁其他側(cè)存在不合格的蒸汽螺旋管焊縫，麥汁容器開(kāi)裂。高焊接應(yīng)力引起了氯化物開(kāi)裂和熱疲勞

AISI 304或316不銹鋼的碳含量＜0.08%，如果在給定時(shí)間內(nèi)暴露在500～800℃會(huì)發(fā)生敏化。這種情況在焊接過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生，因此，焊接會(huì)引起沿焊縫的“熱影響區(qū)”的敏化。如果產(chǎn)生敏化，在晶界會(huì)形成碳化鉻，從而引起晶界的貧鉻，這種過(guò)程容易使不銹鋼在管壁較厚(＞2～3mm)的情況下產(chǎn)生晶間腐蝕。為避免這種情況，常常選擇“可焊接的鋼種”：

這些鋼種起源于德國(guó)，一直用得不多，不像L級(jí)鋼種使用得越來(lái)越多。

對(duì)于不銹鋼耐腐蝕性能有三種表面特性很重要：焊縫質(zhì)量和熱影響區(qū)、表面粗糙度以及保護(hù)性氧化層的狀況。不銹鋼的表面狀況是主要問(wèn)題，尤其是對(duì)于食品、飲料工業(yè)和制藥工業(yè)。啤酒廠腐蝕衛(wèi)生問(wèn)題常常是由于表面狀況凸凹不平而造成的。在制作過(guò)程中（焊接、熱處理、研磨等），鈍化鉻氧化層受到損傷從而降低耐腐蝕能力。

不銹鋼焊接使用的保護(hù)氣體不足將會(huì)形成熱回火色。這些熱回火色由各種氧化物組成，不能保護(hù)底層的基體金屬。它們還是多孔的，往往會(huì)吸收離子，如氯離子，從而降低耐腐蝕性能。

如果熱回火色或其他類(lèi)型的污染物是不可接受的，必須采用某種金屬表面處理來(lái)解決。酸洗或鈍化是一種化學(xué)處理方法，它能夠去除舊的氧化層，熱回火色和其他污染物，進(jìn)而使鈍化鉻氧化膜完全恢復(fù)。最常用的酸洗工藝是浸沒(méi)在硝酸和氫氟酸的混合酸溶液中。用一種稀釋的硝酸可將不銹鋼表面鈍化。酸洗可以是浸沒(méi)在酸洗池中，也可以是噴霧或管道沖洗系統(tǒng)來(lái)完成。雖然酸洗后，不銹鋼表面是活性的，由于鉻與空氣中的氧反應(yīng)，在24小時(shí)內(nèi)能生成一層鈍化膜，但在有些情況下，鈍化是通過(guò)使用硝酸用化學(xué)方法促成的。

其他比熱回火色嚴(yán)重的污染也會(huì)降低耐腐蝕性能。其中最常見(jiàn)的是碳鋼（嵌入鐵或游離鐵）污染，它們會(huì)引起點(diǎn)腐蝕。使用硝酸進(jìn)行不銹鋼化學(xué)鈍化也能去除這些嵌入的鐵顆粒。

焊縫和熱影響區(qū)常常是腐蝕起始源。對(duì)于啤酒廠和其他食品工業(yè)，最重要的是焊縫缺陷，例如未熔透，引起衛(wèi)生和殺菌問(wèn)題。工程師和購(gòu)買(mǎi)方常常指明不適當(dāng)?shù)暮附訔l件和不能正確執(zhí)行的焊接程序。這樣的結(jié)果是在必須完成的結(jié)構(gòu)制作中出現(xiàn)低質(zhì)量的焊縫和表面狀況。

熱回火色是由于光被吸收到透明的氧化層中，由于氧化層的厚度不同而產(chǎn)生的。由于色彩的折射系數(shù)不同，看上去是藍(lán)色的氧化層只能反射藍(lán)色的光，吸收其他光。較厚的氧化層比完全透明的薄氧化層有更多的孔，因此，較厚的氧化層將會(huì)降低不銹鋼的耐腐蝕性和不粘附性。對(duì)于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，淺稻草色的熱回火色是可以接受的；其他所有熱回火色例如紅色和藍(lán)色都是不可接受的。其他更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，如制藥工業(yè)，根本不允許有熱回火色。

焊縫的幾何形狀應(yīng)當(dāng)盡可能規(guī)則。合格的焊縫不會(huì)斷開(kāi)基體金屬本身的表面。腐蝕常常始于一條焊縫起始/結(jié)束處的微小針孔內(nèi)部。理論上，起始/結(jié)束處根本沒(méi)有微小針孔、疏松或其他凸凹不平。良好的焊接熔透非常重要。管道必須很好地對(duì)正，焊縫的寬度必須是固定的。表面處理往往應(yīng)引起高度的重視，而合適的焊縫幾何形狀和不出現(xiàn)孔隙和熔透不足這些不規(guī)則性也同樣重要。

表面粗糙度對(duì)不銹鋼的衛(wèi)生性能和腐蝕的產(chǎn)生有很大的影響。電解拋光表面的耐腐蝕性最好，其次是機(jī)械拋光表面。這種表面狀況被用在醫(yī)藥工業(yè)和其他高標(biāo)準(zhǔn)要求的工業(yè)中。通常情況下，啤酒行業(yè)和食品工業(yè)不專(zhuān)門(mén)指定使用（電解）拋光表面。然而，有時(shí)候要使用這種表面，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的衛(wèi)生條件和容易清潔。大多數(shù)管道在制造過(guò)程中進(jìn)行光亮退火。由于光亮退火工藝會(huì)大大提高質(zhì)量，這種管道的內(nèi)部酸洗常常不再進(jìn)行，除非材料表面存在嚴(yán)重的熱回火色或受到鐵污染。不銹鋼薄板常常具有2B加工表面，它們有著良好的表面性能。在啤酒廠最常使用的是薄壁直焊焊管，2B加工表面，有時(shí)候外部是另外一種表面加工（刷光或磨光）。由于擠壓管壁厚表面呈粗糙“桔皮”狀，常常要進(jìn)行酸洗。不銹鋼擠壓管在啤酒廠不常用，它們用于高壓用途。

在啤酒釀造過(guò)程中，容器和管道可能在低溫也可能在高達(dá)沸點(diǎn)的溫度下工作。在一般啤酒生產(chǎn)中，麥芽汁和糖化的谷物不會(huì)腐蝕AISI 304不銹鋼。一般情況下，釀造液也不腐蝕AISI 304不銹鋼。只有釀制啤酒采用軟水時(shí)，釀造液含極高的氯化物時(shí)會(huì)導(dǎo)致選用AISI 316不銹鋼。CIP過(guò)程也沒(méi)有腐蝕性。然而，在高于60℃時(shí)的區(qū)域內(nèi)使用時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生氯化物開(kāi)裂或腐蝕疲勞。如果這樣，冷加工不銹鋼或直縫焊管或焊縫附近將會(huì)出現(xiàn)這種情況。如果管道和容器從外到內(nèi)的隔熱材料受潮，常常會(huì)發(fā)生這種情況。

對(duì)于衛(wèi)生、易清潔和耐腐蝕性能，最佳的表面狀況是非常重要的。除了通常是可以接受的淺黃色，焊縫也不允許出現(xiàn)有熱回火色。如果管道用惰性氣體適當(dāng)?shù)卮祾?，?huì)得到這樣的顏色。合適的焊縫幾何形狀也非常重要。

容器使用經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼（LDX）可以減輕重量和節(jié)約成本。經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼比AISI 304不銹鋼更耐氯化物開(kāi)裂。經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼用于制造啤酒廠容器令人非常感興趣。如果制造工藝恰當(dāng)，不銹鋼設(shè)備的壽命幾乎可以無(wú)限長(zhǎng)。

2、乳品業(yè)和其他食品業(yè)用不銹鋼的性能

乳品業(yè)和其他食品加工業(yè)中不銹鋼的使用所面臨的絕大多數(shù)挑戰(zhàn)是與熱交換器和天然地表水有關(guān)，如井水。和釀酒廠一樣，絕大多數(shù)食品相關(guān)產(chǎn)業(yè)頻繁地使用熱介質(zhì)。產(chǎn)品是利用蒸汽進(jìn)行加熱的或利用水進(jìn)行冷卻的。在處理過(guò)程中使用加熱和冷卻水的原因是與食品和飲料的準(zhǔn)備，巴氏消毒和滅菌有關(guān)。因此經(jīng)常遇到應(yīng)力腐蝕裂紋等問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，食品加工對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼，如AISI304或316沒(méi)有特別的腐蝕作用。然而該行業(yè)內(nèi)的加工方法種類(lèi)繁多，所以，人們發(fā)現(xiàn)有許多不同類(lèi)型的故障機(jī)理。例如：

在下面的范例中，乳清、牛奶和工藝水是通過(guò)用1.4401不銹鋼制造的板式熱交換器進(jìn)行處理的。

為了避免在產(chǎn)生泄漏時(shí)污染食品，工藝水的壓力盡可能最低。當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏是產(chǎn)生在壓力點(diǎn)，在壓力點(diǎn)薄板相互碰撞（見(jiàn)照片4所示）。泄漏機(jī)理是橫斷面較薄的部分在壓力點(diǎn)被沖蝕、腐蝕后產(chǎn)生疲勞裂紋所致。斷面的金相顯微研究表明，沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。由于低壓是在工藝水側(cè)，再加上壓力波動(dòng)和液體流動(dòng)的振動(dòng)，侵蝕/腐蝕就產(chǎn)生在該側(cè)。避免薄板物理碰撞的方法是：

食品業(yè)通常使用井水。為了減少使用自來(lái)水，食品公司通常有自備水井。食品加工公司要對(duì)井水進(jìn)行相應(yīng)的處理。最重要的水處理方法之一是對(duì)井水除鐵。之所以對(duì)水進(jìn)行除鐵是為了使食品的口味更好，并避免在對(duì)包裝和加工設(shè)備進(jìn)行清理和沖洗后設(shè)備銹蝕。地表水和井水還含有一些類(lèi)型的微生物的作用。井水中的鐵含量相當(dāng)高，會(huì)使與鐵相關(guān)的細(xì)菌活躍，造成嚴(yán)重的腐蝕。這種細(xì)菌無(wú)論是在有氧還是在厭氧條件下都很活躍。有氧條件下的與鐵相關(guān)的細(xì)菌能使鐵離子氧化，而在厭氧條件下的與鐵相關(guān)的細(xì)菌使鐵離子減少。這兩種反應(yīng)最終歸類(lèi)于微生物腐蝕（MIC）。水中可能還活躍有其他微生物，如硫酸還原菌，產(chǎn)酸菌。在相同的生物膜中，可能活躍有需氧菌和（在下面的）厭氧菌。今后我們還要討論MIC的機(jī)理。

在下面的范例中，利用井水來(lái)處理蔬菜罐頭（在進(jìn)行巴斯德殺菌處理后進(jìn)行沖洗和冷卻）。在水長(zhǎng)期不流動(dòng)的地方，用316L制造的管道會(huì)在六個(gè)月內(nèi)發(fā)生泄漏。原因是這種水的溫度較高。井水本身較冷（低于10℃），但是在夏天，如果在管道內(nèi)停滯不動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)，溫度很容易升高到30℃。與軍團(tuán)桿菌相比，在溫度較高時(shí)，腐蝕生物膜以較高的活動(dòng)速率形成。

在對(duì)不銹鋼設(shè)備進(jìn)行清理和消毒時(shí)，通常使用次氯酸鈉。如果使用得當(dāng)，不會(huì)產(chǎn)生什么問(wèn)題。然而，如果次氯酸鈉的濃度過(guò)高或者清理和消毒的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，次氯酸鈉就會(huì)對(duì)不銹鋼造成嚴(yán)重的腐蝕，特別是當(dāng)溫度在25℃以上時(shí)，情況更為嚴(yán)重。可舉一個(gè)例子，在夏天的一個(gè)周末，一個(gè)飲料消毒設(shè)備內(nèi)殘留有高濃度的次氯酸鈉溶液。當(dāng)工人們周一早上上班時(shí)發(fā)現(xiàn)消毒設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生了大量的銹蝕，不幸的是，在這臺(tái)新設(shè)備上形成了最深為3mm的針孔。

之前我們討論了幾種與氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂和腐蝕疲勞相關(guān)的故障。在溫度高于60℃時(shí)，總存在氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。隨著冷變形、拉伸應(yīng)力和氯化物含量的增加，風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大。與冷變形的未經(jīng)退火處理的管道相比，退火處理的管道對(duì)氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂不太敏感。在乳制品業(yè)用的直縫焊鋼管的外部對(duì)氯化物的敏感性就大得多，原因是在制造過(guò)程中進(jìn)行彎曲使該部分存在拉應(yīng)力。上一節(jié)，已經(jīng)談了釀酒用的熱水管道中絕緣材料下的氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂一事。正如前面所說(shuō)，食品工業(yè)內(nèi)使用熱介質(zhì)非常普遍。因此，在乳制品和制糖領(lǐng)域，也會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。

在其他用途中，會(huì)產(chǎn)生氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的可能是管式熱交換器。如果溫度超過(guò)60℃，殼側(cè)更有可能產(chǎn)生氯化物應(yīng)力裂紋。AISI 304和316對(duì)該問(wèn)題較為敏感，所以，可采用鐵素體不銹鋼來(lái)代替。在制糖業(yè)已開(kāi)發(fā)使用了鐵素體不銹鋼AISI 441，特別是AISI 439。

糖廠的管道用來(lái)加熱，蒸發(fā)和結(jié)晶。果汁加熱器、蒸發(fā)器和鍋用管道的理想特性是：

材料是在下述材料之間進(jìn)行選擇的：

在實(shí)際使用當(dāng)中，管道的選擇是在304不銹鋼和439不銹鋼之間進(jìn)行的。304不銹鋼用于較短的管道，439用于較長(zhǎng)的管道。

在管道的長(zhǎng)度小于3米時(shí)，可選擇該鋼種。304不銹鋼的熱膨脹系數(shù)為1.8×10-2mm/m℃,這比碳鋼要大得多。當(dāng)容器處于高溫時(shí)，管道的熱應(yīng)力高。AISI 304不銹鋼管道在工廠進(jìn)行直縫焊接后進(jìn)行了退火處理。

ASTM439為鈦穩(wěn)定的鐵素體不銹鋼（17%～19%Cr），該鋼種可用來(lái)制造長(zhǎng)度在5米以上的蒸發(fā)器或盤(pán)管。

為了避免縫隙腐蝕，如果耐腐蝕和衛(wèi)生角度允許，人們通常用厚的碳鋼板將薄壁AISI439鋼管包起來(lái)。這樣，碳鋼可為薄壁不銹鋼管道提供陰極保護(hù)，并可設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本低、使用壽命長(zhǎng)的熱交換器。

如果選擇鐵素體不銹鋼，外殼必須用碳鋼制造。在這種情況下，人們無(wú)法選擇熱膨脹系數(shù)。

（本文刊于不銹雜志第48期）