淺析應(yīng)力腐蝕對(duì)壓力容器的影響及預(yù)防措施

劉佳寧 王福新 孫中華 劉海濱

摘 要：壓力容器是應(yīng)用于化工、石油、制藥、輕工、能源、環(huán)保和食品等行業(yè)生產(chǎn)工藝過程中所涉及的關(guān)鍵典型設(shè)備，因其制造的特殊性，在制造及使用的過程中會(huì)遇到多種泄漏現(xiàn)象，其中由于應(yīng)力腐蝕造成的泄漏成為最危險(xiǎn)的事故之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)力腐蝕造成的安全事故在腐蝕事故中所占的比例高達(dá)35%。本文對(duì)S30408不銹鋼壓力容器應(yīng)力腐蝕的實(shí)例進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)產(chǎn)生的問題做了分析并提出避免此種泄漏的解決措施。為今后類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造提供參考意見，增加預(yù)防能力，減低質(zhì)量事故頻率。

關(guān)鍵詞：壓力容器；應(yīng)力腐蝕

一、情況簡(jiǎn)介

2012年，某壓力容器制造單位為遼寧某化工廠自行設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)脫丁乙烷塔冷卻器，封頭材質(zhì)為S30408不銹鋼，采用標(biāo)準(zhǔn)GB24511-2009，殼程介質(zhì)位iC04 ，管程介質(zhì)為冷卻水，設(shè)備預(yù)期使用壽命為10年。

2015年1月，用戶發(fā)現(xiàn)正在運(yùn)行的一臺(tái)壓力容器設(shè)備外頭蓋短節(jié)與封頭環(huán)焊縫處外側(cè)漏氣，情況較為嚴(yán)重。接到問題反饋后，制造商高度重視，因其問題較為嚴(yán)重，故協(xié)商用戶停車，將問題部件運(yùn)回，進(jìn)一步查明原因后再給出處理方案。

二、原因分析

1. 相關(guān)檢驗(yàn)與化驗(yàn)

首先無損檢測(cè)人員復(fù)查了出廠時(shí)的短節(jié)與封頭環(huán)焊縫射線底片（20%射線檢測(cè)），并無裂紋現(xiàn)象（見圖1），符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

然后對(duì)泄漏處做了局部射線檢測(cè)，確認(rèn)裂紋（見圖2）。

最后對(duì)泄漏處進(jìn)行了切割打磨處理并做了100%著色檢測(cè)（見圖3圖4）。

射線檢測(cè)結(jié)論：封頭直邊段存在嚴(yán)重裂紋。

著色檢測(cè)結(jié)果：短節(jié)與封頭環(huán)焊縫內(nèi)側(cè)（與殼程介質(zhì)接觸側(cè)）在封頭直邊段位置存在規(guī)律性縱向裂紋，裂紋長(zhǎng)度不等約為5-15mm，泄漏處裂紋已延伸至焊縫熱影響區(qū)外側(cè)。

為了進(jìn)一步查清不銹鋼封頭裂紋產(chǎn)生的原因，制造商對(duì)產(chǎn)生裂紋的封頭做了取樣并做了化學(xué)成份分析，其復(fù)驗(yàn)結(jié)果符合GB24511-2009標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是金屬在殘余或外加應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變和腐蝕聯(lián)合作用下（并有一定的溫度條件）所引起的腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象較為復(fù)雜，當(dāng)應(yīng)力不存在時(shí)，腐蝕甚微；當(dāng)有應(yīng)力后，金屬會(huì)在腐蝕不嚴(yán)重的情況下發(fā)生裂紋。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕包括四個(gè)要素：敏感的金屬材料、特定的介質(zhì)環(huán)境、處于應(yīng)力狀態(tài)下、經(jīng)過一定的時(shí)間。

3. 初步分析結(jié)果

設(shè)備母材為S30408奧式體不銹鋼，封頭成型工藝為旋壓成型，成型后未經(jīng)熱處理，由于封頭成型時(shí)，產(chǎn)生形變，會(huì)改變奧氏體不銹鋼的局部晶間組織，產(chǎn)生微量馬氏體，導(dǎo)致奧氏體母材處于相對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)，封頭與短節(jié)焊接處也正是殘余應(yīng)力最集中處；易對(duì)奧式體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)含有氯離子、氯化物+蒸汽、濕硫化氫、堿液等，而這些物質(zhì)又都是化工廠中最為常見的。

結(jié)合實(shí)物裂紋形態(tài)、所處位置（裂紋均處在封頭與短節(jié)的焊縫邊緣的封頭側(cè)，且與焊縫垂直）以及設(shè)備使用時(shí)間（2年），初步判斷是由較緩慢的應(yīng)力腐蝕所導(dǎo)致的（一般應(yīng)力腐蝕出現(xiàn)在1周到2個(gè)月）。風(fēng)頭壓制過程中的應(yīng)力集中和腐蝕性環(huán)境是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

注：無法排除設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的運(yùn)行條件突變或外界產(chǎn)生的振動(dòng)等因素導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。

三、返修方案

為了安全和避免該問題再發(fā)生，制造商重新定制封頭，封頭由旋壓冷加工改為熱壓加工并做固溶處理，以此消除封頭應(yīng)力。將問題封頭切割掉后，新封頭與原短節(jié)重新焊接，并對(duì)短節(jié)與封頭環(huán)焊縫做100%射線檢測(cè)。

四、預(yù)防措施及建議

1.對(duì)用戶的建議

經(jīng)了解，該設(shè)備殼體部分已更換多次，說明其殼程實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于管程。由于內(nèi)壓容器在使用過程中，即使進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，也不可避免的會(huì)受到拉應(yīng)力的作用（壓應(yīng)力不會(huì)造成應(yīng)力腐蝕）。即便封頭經(jīng)過熱處理或采用熱成型，仍建議用戶徹底排查殼程介質(zhì)中是否存在對(duì)奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)。

為保證壓力容器安全運(yùn)行，結(jié)合問題產(chǎn)品出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)類似產(chǎn)品極有可能存在同樣情況，所以用戶有必要對(duì)殼程介質(zhì)流經(jīng)的系統(tǒng)內(nèi)奧氏體不銹鋼產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量隱患排查。對(duì)運(yùn)行過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，例如介質(zhì)中若有硫化氫，應(yīng)嚴(yán)格控制水蒸氣的進(jìn)入。

建議用戶針對(duì)有應(yīng)力腐蝕傾向的部件制作備件，并定期更換，以保證設(shè)備運(yùn)行不受影響，避免造成不必要的損失。

2.對(duì)設(shè)計(jì)者的建議

設(shè)計(jì)圖樣上應(yīng)嚴(yán)格標(biāo)注材料及熱處理要求，對(duì)變形量較大、殘余應(yīng)力較高的零部件，若與易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)接觸，則成型后應(yīng)特別注明需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理（固溶處理），以恢復(fù)母材本身的晶間組織結(jié)構(gòu)。

若已知接觸介質(zhì)為極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)，建議設(shè)備選材上優(yōu)先選擇超低碳（S31603）不銹鋼、加入抗應(yīng)力腐蝕元素（S32168）的不銹鋼或奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼等。

參考文獻(xiàn)：

[1]TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程.

[2]GB150-2011 壓力容器.

[3]肖元超等 不銹鋼封頭典型裂紋原因分析及修復(fù) 《熱處理技術(shù)與裝備》2012年第1期.