淺析環(huán)境因素對(duì)材料的影響

摘 要：分析了一特定設(shè)備在特定環(huán)境下，材料所受到的腐蝕危害性及影響因素，總結(jié)了此次案例的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及受到的啟示。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力腐蝕；氯離子；壓力容器；

文章編號(hào)：1674-3520（2015）-04-00-02

Abstract：The damage of the stress corrosion cracking and its factors of the special equipment in the special environmentwere analyzed. The lessons and the enlightenment learned from this case are summarized.

Key words：stress corrosion；chloridion；pressure vessel；

選擇材料是石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于給定工況選擇合適的材料是設(shè)計(jì)工程師的責(zé)任。材料選擇涉及方方面面，從一般性的情況來(lái)說(shuō)，工程師在選擇工程材料時(shí)，一是分析業(yè)主方提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，二是計(jì)算產(chǎn)品的受力情況，三是查閱國(guó)標(biāo)及其他標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求，如無(wú)特殊情況，這三條滿(mǎn)足后，再結(jié)合市場(chǎng)情況考慮所選材料。但某些特殊環(huán)境下的工程，就要小心環(huán)境因素對(duì)材料產(chǎn)生的影響，材料中的某些成分可能會(huì)受特殊環(huán)境的影響，日積月累而產(chǎn)生不良的變化。在此，以一工程實(shí)例來(lái)分析此種情況。

某一工程所在位置地形是南高北低，坡向海岸，在此坡上要建立一座脫乙烷塔，設(shè)計(jì)壓力為2.0MPA， 設(shè)計(jì)溫度為-65℃/10℃，原設(shè)計(jì)塔體材質(zhì)為09MnNiDR，但因此材料在當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上很難買(mǎi)到，工期又緊，后申請(qǐng)材料代用，代用材料為 0Cr18Ni9，代用材料厚度不變。設(shè)備經(jīng) 100%RT 檢測(cè)合格。

脫乙烷塔是在低溫環(huán)境下工作的設(shè)備，由于低溫脆性的存在，材料選擇時(shí)首先考慮到低溫段的材質(zhì)材選用和制造技術(shù)要求， 低溫用鋼最危險(xiǎn)的失效形式是低溫脆斷， 它會(huì)在沒(méi)有任何預(yù)兆的情況下突然發(fā)生， 造成工程上的災(zāi)難性破壞， 必須引起高度的重視。

0Cr18Ni9屬于18- 8 型奧氏體不銹鋼， 具有在低溫下使用的經(jīng)驗(yàn)。一般常用的壓力容器用鋼是體心立方晶格結(jié)構(gòu)的金屬，在設(shè)計(jì)溫度較低時(shí)，易產(chǎn)生裂紋的形核， 低溫和有害雜質(zhì)元素減小了擴(kuò)展阻力， 增大了材料的脆斷性，因此， 在設(shè)計(jì)溫度較低時(shí)，宜采用面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體不銹鋼作為主要受壓元件用材。而18- 8 型奧氏體不銹鋼屬于面心立方晶體結(jié)構(gòu)， 具有優(yōu)異的低溫韌性， 廣泛用于介質(zhì)為液化氣等的壓力容器， 其使用溫度最低可達(dá)- 196℃， 因此， 完全能滿(mǎn)足該塔的設(shè)計(jì)條件。其他的面心立方結(jié)構(gòu)的金屬， 如銅、 鎳等， 雖具有良好的低溫韌性， 但價(jià)格太高， 且作為壓力容器用鋼的經(jīng)驗(yàn)少， 而 0Cr19Ni9 鋼板也是GB150《鋼制壓力容器》規(guī)定的材料。基于低溫工況的考慮，施工方同意了制造單位提出的用0Cr18Ni9代用09MnNiDR的方案。

投產(chǎn)后，業(yè)主定期會(huì)進(jìn)行塔內(nèi)安全檢測(cè)，十年來(lái)無(wú)任何問(wèn)題，但從沒(méi)進(jìn)行過(guò)塔體外部檢測(cè)。在去年的偶然一次檢查塔體外部時(shí)，發(fā)現(xiàn)塔體下段出現(xiàn)裂紋，裂紋出現(xiàn)在下段直徑為 1500mm 的塔體，主要集中在下封頭往上三個(gè)筒節(jié)上，第四筒節(jié)上也有局部裂紋。塔體母材沿著塔體軸向開(kāi)裂，最長(zhǎng)的裂紋將近 800mm，裂紋深度達(dá)到 10mm，如下圖所示：

焊縫金屬上產(chǎn)生的裂紋垂直于焊縫，貫穿于焊縫金屬、熱影響區(qū)及焊縫附近母材。經(jīng)過(guò)對(duì)下封頭往上三個(gè)筒節(jié)做 100%PT 檢測(cè)，裂紋分布廣。

業(yè)主方緊急通知了設(shè)計(jì)方，裂紋試樣經(jīng)過(guò)分析，分別觀察了表面、橫截面及裂紋開(kāi)裂處的形貌并分析了腐蝕產(chǎn)物的組成， 同時(shí)采用能譜對(duì)取回的保溫材料進(jìn)行了成分分析?？梢钥吹?，試樣表面既有穿晶、也有沿晶裂紋。將裂紋掰開(kāi)后，采用掃描電鏡觀察得到斷口腐蝕產(chǎn)物的形貌以及腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果，如下圖所示：

上圖分析表明腐蝕產(chǎn)物中除了有 Fe、Cr 等金屬元素外，還含有少量的 Cl，斷口主要呈現(xiàn)脆性特征，有應(yīng)力腐蝕特征。而保溫材料的能譜分析結(jié)果表明保溫材料中主要成分為碳、氧，由此推測(cè)腐蝕產(chǎn)物中的氯可能來(lái)自于海洋大氣環(huán)境。

業(yè)主與設(shè)計(jì)方經(jīng)過(guò)商討，確定了最終的整修方案，但我們通過(guò)這個(gè)案例的分析可以得到以下幾點(diǎn)的啟示：

1、應(yīng)力腐蝕不同于其他形式的材料腐蝕，它是對(duì)于特定材料在特定工況下發(fā)生的腐蝕形式， 是化學(xué)工業(yè)、天然氣與石油開(kāi)采以及加工工業(yè)、 冶金工業(yè)、 火電工業(yè)及核電工業(yè)等領(lǐng)域使用的壓力容器的最危險(xiǎn)的損傷之一。應(yīng)力腐蝕所引起的破壞在事先往往沒(méi)有明顯的變形預(yù)兆而突然發(fā)生脆性斷裂， 其危害性相當(dāng)大， 可以說(shuō)是一種災(zāi)難性腐蝕，因此，如果工況中含有一定的腐蝕介質(zhì)，例如硫化氫，氯離子等，要特別注意預(yù)防應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，及早的制定預(yù)防措施及相應(yīng)的對(duì)策。在設(shè)備維護(hù)期間， 要嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)法規(guī)， 根據(jù)設(shè)備檢修有關(guān)規(guī)定， 切實(shí)做好定期檢查、 取樣， 掌握壓力容器在運(yùn)行中缺陷的發(fā)展和腐蝕情況，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施， 由此對(duì)于防止設(shè)備繼續(xù)腐蝕、延長(zhǎng)使用壽命以及確保壓力容器安全運(yùn)行具有重要意義。

2、設(shè)備在設(shè)計(jì)選材時(shí)，不僅要考慮工況，還應(yīng)考慮環(huán)境的影響。在這起案例中，0Cr18Ni9材料是完全能適應(yīng)脫乙烷塔的工況條件的，對(duì)于常規(guī)腐蝕，低溫工況這樣的使用條件，0Cr18Ni9是具有足夠使用經(jīng)驗(yàn)的材質(zhì)，它本身也具有足夠的耐晶間腐蝕能力和優(yōu)良的耐蝕性。然而，海洋大氣環(huán)境的影響卻沒(méi)有被充分考慮到，海島常年潮濕氣候中含有的較高濃度的氯離子，加速了奧氏體不銹鋼外表面的應(yīng)力腐蝕情況。

3、材料代用不能只簡(jiǎn)單的考慮以高代低。此案例的發(fā)生也與材料代用有關(guān)，材料代用在設(shè)備制造過(guò)程中是不可避免的，在設(shè)備制造過(guò)程中， 由于采購(gòu)困難或?yàn)榱藢?duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行充分利用等原因， 材料代用問(wèn)題在目前的壓力容器設(shè)計(jì)中時(shí)有發(fā)生。在以往的代用考慮中，大部分都以“以高代低”的原則處理，然而材料性能的高低也是相對(duì)而言，材料性能對(duì)于某種材料而言不是確定不變的， 一種材料在某一方面的性能“高”于另一種材料的同時(shí)，有可能在其它方面“低”于另一種材料， 在不同的情況下， 人們對(duì)材料性能的需求是千變?nèi)f化的， 在材料代用問(wèn)題上的“高低”判斷， 只能具體問(wèn)題具體分析， 這方面的事例在壓力容器中是常見(jiàn)的。代用時(shí)除了考慮材料的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，同時(shí)還要對(duì)介質(zhì)腐蝕，環(huán)境影響，材料性能等方面做一個(gè)綜合的評(píng)價(jià)。

以上是本人對(duì)此次案例中一個(gè)特定設(shè)備的設(shè)計(jì)，制造，運(yùn)作及發(fā)生事故情況的回顧，分析及總結(jié)，相信總結(jié)得到的啟示會(huì)對(duì)以后的設(shè)備設(shè)計(jì)工作有很大的幫助，從以往案例中得到的經(jīng)驗(yàn)將會(huì)變成對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)的考量，為以后的工作打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)及提供更全面的視野。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹志明. 氨制冷壓力容器應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂原因及其對(duì)策[ J] . 壓力容器， 2003， 20（ 5）： 42-44.

[2]丁伯民， 蔡仁良. 壓力容器設(shè)計(jì) 原理及工程應(yīng)用[ M] . 北京： 中國(guó)石化出版社， 1992.