壓力容器和壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂機理及影響因素分析

夏源

摘? ?要：SCC是指一些材質(zhì)在應(yīng)力承受中因內(nèi)外部環(huán)境的壓力腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。SCC所造成的裂紋具有脆性斷口形貌，且多發(fā)生于一些高韌性的材料中。SCC是壓力容器和壓力管道失效的主要模式之一，對工業(yè)生產(chǎn)具有一定的負(fù)面影響。文章以應(yīng)力腐蝕開裂的特征和影響因素為基礎(chǔ)，提出一些相應(yīng)的防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：壓力容器;壓力管道;應(yīng)力腐蝕開裂;影響因素

從廣義上理解，壓力管道就是保護(hù)管內(nèi)介質(zhì)，承受來自內(nèi)外壓力的管道，而壓力容器就是在承受壓力的狀況下將氣體或液體密閉封存的容器。壓力管道和壓力容器是承受壓力的器皿，目前在我國工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)被推廣和應(yīng)用。應(yīng)力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）是對這兩種承壓設(shè)備危害最大的失效模式。在腐蝕環(huán)境中，對設(shè)備或容器的侵蝕程度超過40%，對于一些不銹鋼材質(zhì)的容器，其侵蝕比例甚至能達(dá)到55%。在對壓力管道和壓力容器的腐蝕檢測工作中，主要通過目視檢查、內(nèi)鏡檢查等來測驗設(shè)備內(nèi)腐蝕程度、腐蝕局部等。但SCC很難以常規(guī)的檢驗方式監(jiān)測到，這是由于SCC的形成缺少事先預(yù)兆，往往都是突發(fā)性的低壓力破壞，給工業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的安全威脅。當(dāng)然，低壓容器與低壓管道在實際操作中有相應(yīng)的規(guī)范指導(dǎo)，例如《固定式壓力容器技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等，針對壓力設(shè)備的檢驗周期進(jìn)行了明確規(guī)定。為了保證工業(yè)行業(yè)的安全管理，加強對壓力容器和壓力管道產(chǎn)生SCC現(xiàn)象的有效預(yù)防，是各項設(shè)備安全運行的有效路徑。

1? ? 應(yīng)力腐蝕開裂的基本特征與影響因素

SCC的發(fā)生與形成需要在一定的環(huán)境、應(yīng)力和材料條件下，通常情況下，SCC形成的流程主要為：在材料表面上形成的介質(zhì)以及鈍化膜等物質(zhì)，在拉力與破壞作用下造成物質(zhì)產(chǎn)生裂紋或破裂，而裂紋隨著時間推移會向設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)張，形成穿透性裂紋。SCC形成的基本特征主要表現(xiàn)在以下6方面：（1）合金設(shè)備更容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。（2）殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力是形成腐蝕的必要條件。（3）應(yīng)力腐蝕是在特定環(huán)境下形成的。（4）應(yīng)力腐蝕開裂是脆性開裂。（5）在一定的溫度條件下。（6）應(yīng)力腐蝕斷裂與外部環(huán)境和應(yīng)力大小相關(guān)聯(lián)。具體時間短則幾分鐘，長則幾年，一般裂紋分為成核和擴(kuò)展這兩個過程。SCC現(xiàn)象如圖1所示。

大多數(shù)合金都會遇到應(yīng)力腐蝕，但合金的腐蝕與特定的環(huán)境有一定的聯(lián)系。影響應(yīng)力腐蝕的基本因素主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

1.1? 產(chǎn)生SCC的應(yīng)力

以SCC的拉伸應(yīng)力中殘余壓力為例進(jìn)行分析，通常情況下，僅殘余應(yīng)力就能夠產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。殘余應(yīng)力在生產(chǎn)制造與裝備過程中都有產(chǎn)生的概率，例如：因后續(xù)的熱處理工作失效、螺紋連接配合過盈、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等因素使得殘余壓力增加。同時，加熱不均勻以及熱梯度的產(chǎn)生也是造成殘余壓力增加的主要因素。比如在5%～10%的低應(yīng)力水平下，就會產(chǎn)生SCC現(xiàn)象[1]。

1.2? 應(yīng)力集中

SCC的產(chǎn)生需要有效的應(yīng)力集中源，這也是產(chǎn)生表面裂紋缺陷有效因素。當(dāng)然，引起材質(zhì)裂紋的原因有很多，包括因操作不當(dāng)或工序缺陷而產(chǎn)生的裂紋、機械加工過程中的損傷、加熱處理過程中和焊接過程中產(chǎn)生的裂紋等。一些材料或設(shè)備從表面上看并沒有裂紋，但實際因氧化膜的覆蓋很難發(fā)現(xiàn)裂紋。

1.3? 腐蝕環(huán)境

通常情況下，腐蝕環(huán)境與腐蝕劑和溫度有很大的關(guān)聯(lián)。像硫化氫、無水液氨、氯化鈉溶液、熱濃堿等腐蝕劑，會使得一些不銹鋼、碳鋼或低合金鋼等材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕作用。腐蝕劑在液體中往往是以微量分子和特定離子存在的，例如一些不銹鋼材質(zhì)的設(shè)備形成SCC現(xiàn)象，需要由超過百萬的氯化分子組成。也就是說，腐蝕劑濃度的高低決定了腐蝕程度。從溫度層面來說，腐蝕開裂程度隨著設(shè)備所處溫度升高而升高，除此之外，像鎂合金、鋁合金一類的材料在常溫下也會產(chǎn)生SCC現(xiàn)象。但是通常情況下，SCC產(chǎn)生所需的溫度在120 ℃以下，如：像不銹鋼一類的材料，除一些材質(zhì)較為特殊的材料，一般需要50 ℃以上的高溫才可能產(chǎn)生SCC[2]。

2? ? 壓力容器和壓力管道控制應(yīng)力腐蝕開裂的有效對策

首先，應(yīng)力集中是SCC產(chǎn)生的主要原因之一，因此在設(shè)備設(shè)計、制造過程中，要注意各個零部件的焊接，既要防止零部件不連續(xù)和凸起的問題，還要減少表面擦傷和裂紋缺陷。其次，焊縫也是引起SCC的有效因素，因此相關(guān)制造商要設(shè)置合理的焊接工序，實現(xiàn)焊接各環(huán)節(jié)的整合，保證焊接表面的光滑與平整，焊接后進(jìn)行有效的熱處理，尤其要減少鉚接與螺栓之間的縫隙。最后，在生產(chǎn)與設(shè)計過程中要注意腐蝕點的產(chǎn)生，采用合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)，避免裝配應(yīng)力的形成。此外，對受到震動影響較大的部位盡量避免采用鉚接連接，將橫斷面保護(hù)起來，減少流線外露，才能夠達(dá)到抗腐蝕的目的，從而降低應(yīng)力腐蝕的發(fā)生概率。

3? ? 結(jié)語

綜上所述，壓力管道和壓力容器在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中很容易遭到應(yīng)力腐蝕，從而給工業(yè)生產(chǎn)活動帶來一定的負(fù)面影響。所以，相關(guān)工作人員或設(shè)備制造商要深入認(rèn)識應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的有效因素，從壓力容器和壓力管道的設(shè)計制造工作入手，并采取有效的防范措施。

[參考文獻(xiàn)]

[1]羅匯果.壓力容器和壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂機理及影響因素分析[J].廣東化工，2017（6）：147-149.

[2]王帥.壓力容器應(yīng)力腐蝕發(fā)生因素及控制措施[J].中國高新區(qū)，2017（6）：111.