淺析壓力容器的應(yīng)力腐蝕及斷裂控制

張勇

摘要：壓力容器主要應(yīng)用于石油化工行業(yè)，由于其盛裝著易燃、易爆、有毒或腐蝕性介質(zhì)，并且長(zhǎng)期承受高溫高壓作用，是危險(xiǎn)性較高的特種設(shè)備，在生產(chǎn)和使用中的失效形式比較復(fù)雜，易發(fā)生事故。應(yīng)力腐蝕是壓力容器腐蝕破壞的重要形式,尤其是這種斷裂失效呈脆性斷裂的特點(diǎn),易導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

關(guān)鍵詞：壓力容器；應(yīng)力腐蝕；預(yù)防措施

Abstract: The pressure vessels are mainly used in petrochemical industry, because they contain the flammable, explosive, toxic or corrosive medium, and they are bared the long term high temperature and high pressure, they are the higher risk and special equipments, in theproduction and use , the failure form is complex, and its easy to occurred accident. The stress corrosion is the important form of pressure vessel corrosion failure, especially the failure is brittle fracture characteristics, it easily lead to the disastrous consequences.

Key words: pressure vessel; stress corrosion; preventive measures

中圖分類號(hào)：TU74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2104（2012）

1 應(yīng)力腐蝕概述

應(yīng)力腐蝕是金屬材料在腐蝕性介質(zhì)和拉伸應(yīng)力的共同作用下發(fā)生的一種破壞形式。金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)，腐蝕和應(yīng)力這兩個(gè)因素相互促進(jìn)的，一方面腐蝕使金屬的有效截面積減小和表面上形成缺口，產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果是晶間腐蝕，則會(huì)使金屬晶粒之間的結(jié)合力降低；另一方面，應(yīng)力加速了腐蝕的進(jìn)展，使表面缺口向更深處（或沿晶間）擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。在應(yīng)力腐蝕中，如果應(yīng)力是交變的拉伸應(yīng)力，這種腐蝕叫做疲勞腐蝕。在疲勞腐蝕過(guò)程中，首先也是在表面形成腐蝕缺口引起應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋的策源點(diǎn)。在交變拉伸應(yīng)力的作用下，被破壞的保護(hù)膜無(wú)法再恢復(fù)，沉積在腐蝕坑底部的始終是處在活性狀態(tài)且構(gòu)成腐蝕電池的陽(yáng)極。這樣在腐蝕與交變應(yīng)力的共同作用下，裂紋不斷擴(kuò)散直至金屬材料最后斷裂。

壓力容器的腐蝕破裂都是應(yīng)力腐蝕，因?yàn)閴毫θ萜饕话愣汲惺茌^大的拉伸應(yīng)力，而它的結(jié)構(gòu)也常常難以避免地有程度不同的應(yīng)力集中處，如設(shè)備的開(kāi)孔、焊縫等，且容器的工作介質(zhì)又常常是帶腐蝕性的。

2 應(yīng)力腐蝕破裂的機(jī)理

2.1陽(yáng)極溶解機(jī)理

在應(yīng)力的協(xié)助或協(xié)同作用下，加速金屬內(nèi)活性區(qū)的溶解而導(dǎo)致斷裂的機(jī)理，統(tǒng)稱為陽(yáng)極溶解機(jī)理。它包括膜破裂理論、活性通道理論、快速溶解理論、閉塞電池理論和鈍化膜致裂理論等。

2.2氫致開(kāi)裂機(jī)理

氫致開(kāi)裂機(jī)理認(rèn)為，由于裂紋中酸度提高，電位的降低，有利于H+離子還原的陰極過(guò)程，析出的氫部分被金屬吸收并向內(nèi)部擴(kuò)散，因而引起了氫致開(kāi)裂，這種機(jī)理取決于氫能否進(jìn)入金屬及金屬是否有高度氫致開(kāi)裂敏感性。

2.3陽(yáng)極溶解型和氫致開(kāi)裂型機(jī)理的判定

如果應(yīng)力腐蝕的陰極反應(yīng)是放氫的，而氫富集后控制了裂紋的形核和擴(kuò)展，則屬于氫致開(kāi)裂型；如果陰極反應(yīng)是吸氧，或者雖然是放氫反應(yīng)，但進(jìn)入金屬的氫低于氫致開(kāi)裂的臨界值，這種應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂稱為陽(yáng)極溶解型。由于這兩類應(yīng)力腐蝕機(jī)理不同，對(duì)每一類應(yīng)力腐蝕體系，首先要確定它是陽(yáng)極溶解型還是氫致開(kāi)裂型，才能進(jìn)一步提出控制措施。

3 應(yīng)力腐蝕斷裂產(chǎn)生的條

3.1特定的材料化學(xué)成份與組織

研究表明:鋼材強(qiáng)度越高,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向也越大。綜合國(guó)內(nèi)外許多調(diào)查資料,屈服強(qiáng)度ΡS高于320M Pa的鋼材焊制的液氨儲(chǔ)罐,幾乎都發(fā)現(xiàn)有應(yīng)力腐蝕裂紋,而屈服強(qiáng)度 ΡS低于220M Pa的低碳鋼儲(chǔ)罐,只有比例很小的幾臺(tái)存在少量的應(yīng)力腐蝕裂紋,而且產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的設(shè)備,材料主要是奧氏體不銹鋼與碳鋼。

3.2拉伸應(yīng)力

只有當(dāng)拉伸應(yīng)力超過(guò)臨界應(yīng)力時(shí)壓力容器才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。壓力容器中的拉伸應(yīng)力有3個(gè)來(lái)源:

3.2.1外應(yīng)力。在一定壓力下操作產(chǎn)生的應(yīng)力,內(nèi)外溫度差、反復(fù)加熱和冷卻所引起的操作應(yīng)力等。

3.2.2殘余應(yīng)力。壓力容器的殘余應(yīng)力來(lái)源很廣主要來(lái)自深拉、沖孔、管板內(nèi)脹管配合不當(dāng)?shù)你T接、焊接等制造過(guò)程,安裝固定襯里施工也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

3.2.3腐蝕產(chǎn)物及腐蝕過(guò)程。陽(yáng)極溶解所形成的各種產(chǎn)物的體積,一般都大于被腐蝕掉的金屬體積,這種體積變化在閉塞部位可以導(dǎo)致很大的應(yīng)力。

3.3環(huán)境因素

環(huán)境因素,尤其是腐蝕介質(zhì),對(duì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂十分重要,只有特定的材料在拉伸應(yīng)力和一定環(huán)境的組合情況下,才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。另外,溶液的溫度對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂也有影響。一般來(lái)說(shuō),溫度升高,易發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。但溫度過(guò)高,由于全面腐蝕的進(jìn)行,卻抑制了應(yīng)力腐蝕斷裂。此外,對(duì)某些體系來(lái)說(shuō),存在一個(gè)臨界斷裂溫度,即在此溫度下應(yīng)力腐蝕斷裂最敏感。

4 應(yīng)力腐蝕斷裂的特征

金屬在無(wú)裂紋、無(wú)蝕坑或缺陷的情況下，應(yīng)力腐蝕斷裂過(guò)程可分為 3個(gè)階段，首先是萌生階段，即由于腐蝕引起裂紋或蝕坑的階段；其次為裂紋擴(kuò)展階段，即由裂紋源或蝕坑到達(dá)極限應(yīng)力值（單位面積所能承受最大載荷）為止的這一階段；最后是失穩(wěn)斷裂階段。前一階段受應(yīng)力影響很小，時(shí)間長(zhǎng)，約占斷裂總時(shí)間的 90%，后兩階段時(shí)間短，為總斷裂時(shí)間的10%。在有裂紋的情況下，應(yīng)力腐蝕斷裂過(guò)程只有裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂階段?？梢?jiàn)，應(yīng)力腐蝕斷裂可能在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，但也可能幾年后才發(fā)生。腐蝕區(qū)裂紋一般呈樹(shù)枝狀，主干方向與拉應(yīng)力方向垂直。對(duì)于某些材料如奧氏體不銹鋼裂紋及斷口的形態(tài)與應(yīng)力大小有密切關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力較小時(shí)，其裂紋為一條直裂紋，應(yīng)力中等時(shí)裂紋呈分枝形裂紋；應(yīng)力較大時(shí)裂紋呈網(wǎng)絡(luò)狀裂紋。因此，可以根據(jù)裂紋形狀對(duì)壓力容器所受應(yīng)力情況作初步判斷。裂紋斷口一般脆性斷裂的特征，沒(méi)有宏觀的塑性變形的痕跡。從微觀上觀察，應(yīng)力腐蝕裂紋形態(tài)有沿晶形、穿晶型和混合型 。不同的金屬一環(huán)境體系，將出現(xiàn)不同的裂紋狀態(tài)。例如，鎳基合金、鋁合金和高強(qiáng)度鋼多是沿晶型的，奧氏體不銹鋼多是穿晶型的，而鈦合金為混合型的。但是即使同種合金，隨著環(huán)境、應(yīng)力大小的改變，裂紋形態(tài)也會(huì)隨之改變。

5 控制壓力容器應(yīng)力腐蝕斷裂的措施

通過(guò)以上對(duì)壓力容器應(yīng)力腐蝕機(jī)理的分析可以看出,由于壓力容器的腐蝕涉及到材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、工藝操作等多種因素 ,因此控制壓力容器腐蝕應(yīng)在以下幾個(gè)方面采取相應(yīng)的對(duì)策。

5.1 合理選材

綜合考慮壓力容器的具體用途和工況環(huán)境來(lái)選材。若工作溫度比較高 ,則需考慮材料的熱強(qiáng)度和熱脆性 ,同時(shí)還要考慮材料耐局部腐蝕 ,如晶間腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕及氫損傷等性能。

5.2 設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)

壓力容器設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)注意以下幾方面: ①焊縫應(yīng)盡量遠(yuǎn)離應(yīng)力集中處。②結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)圓滑過(guò)渡。③ 避免采用剛性過(guò)大的結(jié)構(gòu)。

5.3合適的制造方法

為避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力 , 在制造壓力容器時(shí)應(yīng)盡可能采用熱加工成型。如必須采用冷加工成型時(shí),應(yīng)采取噴丸或熱處理等措施消除冷加工殘余應(yīng)力。根據(jù)具體需要,還可以采取進(jìn)行整體熱處理或局部熱處理來(lái)消除殘余應(yīng)力。為防止不銹鋼制壓力容器焊縫的晶間腐蝕, 可以采用小規(guī)范焊接,使輸出熱量盡量少,并盡量縮短焊接熱循環(huán)。對(duì)高強(qiáng)度不銹鋼和低合金高強(qiáng)度鋼, 焊接時(shí)應(yīng)采用烘烤過(guò)的低氫焊條, 焊接過(guò)程中, 周圍環(huán)境應(yīng)保持清潔干燥, 應(yīng)防止水和水蒸氣進(jìn)入熔池導(dǎo)致焊縫氫脆。

5.4襯里防護(hù)

有些壓力容器內(nèi)介質(zhì)的腐蝕性特別強(qiáng),沒(méi)有合適的耐蝕金屬材料或材料特別昂貴 , 對(duì)于這種情況可采用襯里的方法來(lái)解決腐蝕問(wèn)題。一般壓力容器采用的襯里有不銹鋼、鈦、橡膠、玻璃鋼、聚四氟乙烯、搪玻璃等 ,要根據(jù)容器內(nèi)的介質(zhì)特性、工作壓力、工作溫度等具體情況而定。襯不銹鋼、襯鈦適用于壓力和溫度較高的場(chǎng)合, 但施工困難 , 成本較高。襯非金屬材料則使用溫度和壓力都不能太高, 因而受到一些限制。

6 結(jié)束語(yǔ)

鍋爐壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設(shè)備，又是比較容易發(fā)生破壞事故的一類設(shè)備。據(jù)相關(guān)的調(diào)查顯示，因腐蝕造成的事故占全部事故的1/3以上，而應(yīng)力腐蝕又占腐蝕事故的35%，所以，研究應(yīng)力腐蝕破裂的機(jī)理和控制措施，對(duì)防止鍋爐壓力容器破壞事故的發(fā)生具有重要的意義。壓力容器應(yīng)力腐蝕對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行威脅極大,不容忽視。只要弄清壓力容器應(yīng)力腐蝕破壞原因, 對(duì)腐蝕形態(tài)進(jìn)行分析和研究 , 采取有效的防范措施,就可以減緩或抑制腐蝕破壞,確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

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