芻議壓力容器應力腐蝕的影響因素及控制措施

孫博

摘 要：壓力容器是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設備。若壓力容器出現(xiàn)腐蝕，那么將極易造成故障，并引發(fā)非常嚴重的后果，表現(xiàn)為：材料過度浪費、生產成本增加、風險升高、安全隱患增加。為此，企業(yè)應高度重視壓力容器的腐蝕問題，對其影響因素加以全面分析，提出合理的控制措施。

關鍵詞：壓力容器；應力腐蝕；影響因素；控制措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.051

在工業(yè)生產中主要用到的設備為壓力容器，并廣泛應用于多個領域之中，包括：石油領域、化工領域、冶金領域、食品領域、制藥領域、環(huán)境工程領域、能源領域、宇航工程領域、海洋開發(fā)領域等。應力腐蝕斷裂指敏感金屬或者合金在相應的施加的外應力、殘余應力與相應的腐蝕介質的一同作用下，這就使得特殊斷裂方式產生，這屬于壓力容器使用過程中出現(xiàn)的一種最危險損傷。所以，企業(yè)需要深入探究壓力容器的應力腐蝕，采取相應措施保障壓力容器的安全運行。

1 壓力容器應力腐蝕的影響因素

1.1 力學因素

壓力容器承受的拉應力包括負載應力與殘余應力，其中殘余應力有：（1）由于不合理的結構設計而出現(xiàn)應力集中，（2）因焊接而出現(xiàn)殘余應力，（3）因金屬冷加工變形而出現(xiàn)殘余拉應力。一旦壓力容器承受的拉應力高于臨界應力，那么將會出現(xiàn)應力腐蝕斷裂情況。

1.2 環(huán)境因素

金屬或者合金的應力腐蝕斷裂敏感性均會受到環(huán)境溫度與介質中相關成分的濃度、pH值、溶解氧等的影響。當特征介質的濃度不斷增加，那么則更容易出現(xiàn)應力腐蝕斷裂。在多種工作環(huán)境中，壓力容器具有多種應力腐蝕斷裂的溫度限制。若小于溫度限制，那將不會出現(xiàn)腐蝕斷裂，若高于臨界溫度，就會加快壓力容器的腐蝕斷裂。同時，應力腐蝕也在極大程度上受pH值的影響，造成這一情況出現(xiàn)的原因為：酸性溶液會讓低碳鋼的硝脆的速度加快，且水溶液呈酸性的硝酸鹽類均能促使硝脆。對于不銹鋼的應力腐蝕斷裂，當pH值逐漸降低，那么應力腐蝕速度將不斷加快。若壓力容器所處的環(huán)境為熱水和高溫水之中，溶解氧將直接決定著應力腐蝕斷裂。

1.3 冶金因素

冶金因素包含著金相組織、合金元素、夾雜物的偏析與含量、熱處理等。首先，介紹合金元素的影響，在同一個腐蝕環(huán)境中，不同金屬會出現(xiàn)與其相應的應力腐蝕敏感性，在不同的腐蝕環(huán)境中，同一種金屬也會出現(xiàn)與其相應的應力腐蝕敏感性。在合金中金屬的占比不同，那么其應力腐蝕敏感性也會存在不同。通過合理組合金屬和腐蝕環(huán)境，可在極大程度上降低或者杜絕應力腐蝕出現(xiàn)的幾率；其次，介紹金相組織的影響，對于奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼而言，在應力腐蝕方面，奧氏體不銹鋼最為敏感，同奧氏體一起存在少數(shù)鐵素體，能大大提升材料抗應力腐蝕性。最后，介紹夾雜物的偏析與含量的影響，合金材料中存在的夾雜物和偏析，將在一定程度上降低晶界的電位，使得應力腐蝕電池的陽極得以形成，場所對應力腐蝕的敏感性[1]。

2 簡述壓力容器腐蝕

現(xiàn)如今，市面上存在多種多樣的壓力容器，其結構與功能均存在較大的不同，但大多數(shù)屬于金屬材質。若壓力容器長時間暴露于大氣中，受到多種因素的影響極易造成腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。加之，若壓力容器處于氣溫過高、氣溫過低、壓力較大等工作環(huán)境中，均會造成腐蝕發(fā)生。同時，當壓力容器受到自然環(huán)境因素與操作條件的共同作用，將極易產生焊接劣化、老化、銹蝕、應力腐蝕、氫脆等現(xiàn)象，并嚴重影響壓力容器的使用性能。金屬腐蝕也在一定程度上受到大氣環(huán)境的影響，若隨著酸雨酸度的增大，金屬腐蝕率將不斷增高。此外，應力腐蝕斷裂過程為：孕育階段——裂紋擴展階段——失穩(wěn)斷裂階段，其中首孕育階段指因腐蝕而造成裂紋或者蝕坑出現(xiàn)的階段；裂紋擴展階段指因裂紋源或者蝕坑處于最大應力值，即單位面積可以承受最大載荷。

結合腐蝕的作用機制，我們將壓力容器的腐蝕劃分成幾類，具體指：化學性腐蝕具體指受到有機溶劑的影響，從而使得腐蝕反應、均勻腐蝕情況發(fā)生；電化學腐蝕中的陽極會出現(xiàn)腐蝕，而陰極則不會發(fā)生；機械性損耗指腐蝕反應、應力反應一起作用，將會產生十分嚴重的后果，有可能產生應力腐蝕破裂及沖蝕等。結合腐蝕的范圍，我們將壓力容器的應力腐蝕劃分成全面腐蝕和局部腐蝕，其中全面腐蝕具體指所有表面出現(xiàn)腐蝕均勻情況，這就使得材料的表面厚度與強度大大降低，局部腐蝕指表面各個位置的腐蝕量、程度并不相同，且分布并不規(guī)則，雖金屬的整體沒有較大損失量，但存在較大的腐蝕深度，這種情況往往極易造成快速穿孔現(xiàn)象發(fā)生。

3 壓力容器應力腐蝕的控制措施

3.1 合理選材

對于壓力容器的具體制造過程，相關人員必須規(guī)范其制造材料，對材料的選擇應重視對壓力容器應力腐蝕危險的規(guī)范。結合壓力容器的具體應用加以合理選材。若壓力容器主要應用于高溫工作環(huán)境中，在選材過程中應規(guī)范材料的強度和脆性條件，只有這樣才能夠讓材料性能即使處于高溫環(huán)境下仍擁有一定的穩(wěn)定性。在控制壓力容器應力腐蝕時，對于材料的選擇應對壓力容器的主材加以考量，且規(guī)范部分細小材料的選擇，只有這樣才能夠將壓力容器的整體防腐蝕能力進行提升。

3.2 設計合理的壓力容器結構

在設計過程中，相關人員應做到：（1）焊縫需在一定程度上遠離應力集中處；（2）結構不連續(xù)部分，需圓滑過渡；（3）杜絕選擇剛性較大的結構；（4）杜絕選擇不定結構。

3.3 制造合理

在對壓力容器進行制造時，可選擇熱加工成型，這樣能夠杜絕殘余應力的產生。如果必須選擇冷加工成型，可應用噴丸、熱處理等手段，對殘余應力加以冷加工。結合實際需求，可選擇整體發(fā)熱、局部熱處理，從而對應力加以消除；通過選擇小規(guī)模焊接，可將輸出熱量大大減少，也可將焊接熱循環(huán)加以一定程度的縮短，從而避免不銹鋼制壓力容器焊縫的晶間腐蝕。在焊接不銹鋼與低合金高強度鋼過程中，相關人員應選擇烘烤過的低氫焊條，確保周圍環(huán)境始終處于清潔干燥，這樣能夠避免水和水蒸氣到達熔池，進而造成焊縫氫脆[2]。

3.4 改善環(huán)境

雖然我們不能夠對工況環(huán)境加以改變，但可以采取相應手段改善環(huán)境，從而在一定程度上避免壓力容器出現(xiàn)應力腐蝕斷裂情況。以下介紹兩種改善環(huán)境的手段：（1）處理腐蝕介質，選擇抗垢劑與緩蝕劑，從而對腐蝕進行抑制，將壓力容器的抗腐蝕能力加以提高，借助將易造成腐蝕的有害成分加以脫出，從而對壓力容器腐蝕斷裂加以有效控制；（2）襯里防護，部分壓力容器的介質的腐蝕性比較強，往往不容易找出適宜的耐熱金屬材料，材料價格可能高于相關部門的承受范

圍，對于這一現(xiàn)象，可選擇襯里的方式加以有效解決，一般而言，壓力容器使用的襯里包括不銹鋼、鈦、橡膠、聚四氟乙烯、玻璃鋼及搪玻璃等，相關人員需結合工作的壓力與溫度、容器內的介質特點等情況加以合理選擇，當工作的壓力與溫度較高，最佳的選擇為鈦和不銹鋼作為襯里防護。

3.5 開發(fā)耐蝕材料

對于壓力容器，由于金屬和合金材料在其中的占比比較大，這就使得腐蝕控制時，需進一步開發(fā)耐蝕材料，這就使得局部耐腐蝕、特殊環(huán)境中腐蝕問題得以大大提高?，F(xiàn)階段耐蝕非金屬材料在壓力容器中得以普遍應用，其耐蝕性較好，借助一定手段能夠改進其機械性能，并在今后將逐漸替換鋼材[3]。

3.6 電學保護

電化學保護屬于防腐蝕技術的一種，具體指陰極保護和陽極保護。其中陰極保護指在金屬表面通入充足的陰極電流，這樣能夠使金屬溶解速度在極大程度上降低，這一保護手段最適宜應用在結構比較簡單的壓力容器與介質腐蝕性較小的環(huán)境中，在預防常規(guī)均勻性腐蝕、沖擊腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕等方面可取得十分顯然的效果。陽極保護指連接起外加直流電源的正極和被保護的金屬構件，當金屬構件處于電解質溶液中可獲得較為穩(wěn)定的鈍態(tài)，這就使得其腐蝕的速度大大降低，陽極保護技術不適用于無鈍態(tài)化特點的金屬。

4 結論

綜上所述，由于壓力容器應力腐蝕嚴重威脅著設備的安全運行，所以企業(yè)需對這一方面加以高度重視。為此，企業(yè)需要全面分析壓力容器應力腐蝕，對設計、制造、維護等環(huán)節(jié)加以嚴格管理與控制，從而將壓力容器的使用壽命加以延長，杜絕安全事故出現(xiàn)，確保設備的安全運行，促進我國工業(yè)生產的良好發(fā)展。

參考文獻：

[1]王帥.壓力容器應力腐蝕發(fā)生因素及控制措施[J].中國高新區(qū)，

2017（20）：105.

[2]范曉勇，郭旭，陳魯元等.壓力容器的腐蝕及其控制措施[J].化工管理，2016（02）：179-180.

[3]楊洲，李明君，高磊.淺析壓力容器應力腐蝕及其控制措施[J].石油化工設備，2007（S1）：41-43.