壓力容器和壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理及影響因素分析

劉太成

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅蘭州 730000)

在石油化工生產(chǎn)中，腐蝕情況普遍，而且大多數(shù)是對(duì)金屬材料產(chǎn)生腐蝕，由此可見，金屬材料腐蝕的概率是非常大的并且影響擴(kuò)大化，這往往會(huì)造成不可避免的損失，尤其是對(duì)于大型石油化工領(lǐng)域造成的經(jīng)濟(jì)損失以及對(duì)人員的生命安全造成威脅。應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展速率一般為10-9～10-6m/s。如疲勞，是漸進(jìn)緩慢的，這種亞臨界的擴(kuò)展?fàn)顩r一直大到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時(shí)，就突然發(fā)生斷裂，所以后續(xù)會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重的事故。由此可見，對(duì)于壓力容器和壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂的研究具有重要意義。

1 壓力容器和壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理

1）應(yīng)力腐蝕是產(chǎn)生的失效現(xiàn)象，是在拉應(yīng)力作用下，金屬在腐蝕介質(zhì)中引起的破壞。而應(yīng)力腐蝕一般認(rèn)為有陽極溶解和氫致開裂兩種。常見的應(yīng)力腐蝕的機(jī)理是：零件或構(gòu)件在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下，表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞，破壞的表面和未被破壞的表面分別形成陽極和陰極。而在應(yīng)力腐蝕過程中，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)金屬加上陽極電流時(shí)可以加劇應(yīng)力腐蝕，但加上陰極電流時(shí)則能阻止應(yīng)力腐蝕，一般認(rèn)為壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響不大。

2）為防止一些零件的應(yīng)力腐蝕，首先應(yīng)合理選擇材料，避免使用對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的材料，可以采用抗應(yīng)力腐蝕的不銹鋼材料。之后應(yīng)合理設(shè)計(jì)零件和構(gòu)件，減少應(yīng)力集中。改善腐蝕環(huán)境。例如可在腐蝕介質(zhì)中添加緩蝕劑，也是防止應(yīng)力腐蝕的措施。采用金屬或非金屬保護(hù)層，可以隔絕腐蝕介質(zhì)的作用。除此之外，采用陰極保護(hù)法、電化學(xué)保護(hù)也可減小或阻止應(yīng)力腐蝕。

3）陽極溶解理論認(rèn)為陽極溶解應(yīng)力腐蝕的機(jī)理包括滑移溶解理論、鈍化膜致脆理論、擇優(yōu)溶解理論、腐蝕促進(jìn)局部塑形變形導(dǎo)致脆斷等?；迫芙饫碚撜J(rèn)為，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的合金表面有一層鈍化膜，鈍化膜存在局部薄弱點(diǎn)，在應(yīng)力作用下合金基體內(nèi)部位錯(cuò)會(huì)沿滑移面產(chǎn)生移動(dòng)，形成滑移階梯。當(dāng)滑移階梯的形成而發(fā)生相應(yīng)變形時(shí)，鈍化膜就會(huì)破裂并裸露出新鮮表面，并與腐蝕介質(zhì)接觸，發(fā)生快速陽極溶解。當(dāng)溶解相當(dāng)大的區(qū)域后，由于氧氣的吸附，活性離子轉(zhuǎn)換，又形成表面膜，使溶解區(qū)重新進(jìn)入鈍化狀態(tài)，便形成“隧洞”。這時(shí)位錯(cuò)停止沿滑移面滑移并被鎖住，造成位錯(cuò)重新塞積。在應(yīng)力作用下，位錯(cuò)重新開始移動(dòng)，表面鈍化膜破裂形成無膜區(qū)后新露出的表面又快速溶解。經(jīng)過滑移金屬陽極溶解以及鈍化過程的循環(huán)往復(fù)最后導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕裂紋的形成和擴(kuò)展。

4）氫致開裂理論：陽極為金屬溶解，這一類應(yīng)力腐蝕就稱為氫致開裂型應(yīng)力腐蝕。比如，高強(qiáng)鋼在水溶液中的應(yīng)力腐蝕就是一種氫致開致型應(yīng)力腐蝕。這就是說，氫致開裂應(yīng)力腐蝕是氫致滯后開裂的一種表現(xiàn)形式，所以這類應(yīng)力腐蝕的機(jī)理就和氫致滯后開裂機(jī)理相同。

2 壓力管道和壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生的影響因素

1）應(yīng)力腐蝕破裂產(chǎn)生的影響因素，比如在一些特定的環(huán)境中，硫酸鹽等腐蝕性溶液與作用于合金內(nèi)部的拉應(yīng)力相結(jié)合的時(shí)候，鑄造鎂合金，特別是含鋁鎂合金在低于其屈服強(qiáng)度的靜載荷作用下，具有強(qiáng)烈的應(yīng)力腐蝕敏感性；而應(yīng)力腐蝕往往降低材料性能，制約鎂合金的應(yīng)用。合金成分、力學(xué)性能和環(huán)境因素對(duì)鎂合金應(yīng)力腐蝕開裂影響嚴(yán)重，抑制鎂合金應(yīng)力腐蝕開裂需要同時(shí)控制臨界應(yīng)力、敏感合金的載荷和應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境三種因素。應(yīng)力腐蝕破裂是指拉應(yīng)力和一種特定腐蝕介質(zhì)共同存在而引起的破裂。鎂合金對(duì)應(yīng)力腐蝕非常敏感，必須加以保護(hù)。

2）在處理介質(zhì)環(huán)境因素中，最終導(dǎo)致壓力管道和壓力容器產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的原因有很多，受到各種因素的影響。比如離子的種類，離子的濃度，pH等。這些因素通過影響材料的電化學(xué)行為等，而對(duì)裂紋的形成和拓展過程產(chǎn)生影響。而且在壓力容器中介質(zhì)因素方面：隨著氯離子濃度的增加也會(huì)讓奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性增加，但如果溶液中的氯化物濃度過高，那么也會(huì)讓破裂的時(shí)間減少。所以介質(zhì)因素也是導(dǎo)致壓力管道和壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂的原因。

3）對(duì)于材料應(yīng)力腐蝕中，因?yàn)榫哂歇?dú)特的鮮明特點(diǎn)，應(yīng)力腐蝕破壞特征，可以幫助我們識(shí)別破壞事故是否屬于應(yīng)力腐蝕，但要綜合考量，不能只憑借一點(diǎn)特征就過早地下結(jié)論。造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，而且一般是拉伸應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力可以是外加應(yīng)力，也可以是焊接、冷加工或熱處理產(chǎn)生的殘留拉應(yīng)力。只有特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時(shí)才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。例如B黃銅只有在氨溶液中才會(huì)腐蝕破壞，而A黃銅在水中就能破裂。應(yīng)力腐蝕破壞的端口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物，而疲勞端口的表面，如果是新鮮端口通常較光滑，有光澤；而在壓力容器中的材料方面可以做出一些改變，如在不銹鋼中增加碳、氮等可以對(duì)穩(wěn)定奧氏體組織有利的元素，這樣可以提高不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性，進(jìn)而降低破裂情況的發(fā)生概率。

3 壓力管道和壓力容器防腐蝕的基本內(nèi)容

1）管道在工作環(huán)境中的腐蝕損傷，是關(guān)系到裝置的安全性、可靠性以及使用壽命的重要問題。特別是化工裝置的管道，在高溫、低溫、高壓及強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中使用，與其他工業(yè)裝置相比，使用條件非?？量蹋虼藟毫艿赖姆栏g設(shè)計(jì)，就是在設(shè)計(jì)中為防止腐蝕而采取的較為完善的措施，尤為重要。

2）在考慮防腐蝕材料的選擇上要選擇有良好的耐蝕性能的材料，從腐蝕的速率（一般要求為0.05～0.1mm/a），材料有沒有產(chǎn)生局部腐蝕的條件及材料耐局部腐蝕的性能，耐應(yīng)力腐蝕破裂及腐蝕疲勞性能；防腐蝕強(qiáng)度設(shè)計(jì)就是對(duì)于全面腐蝕的腐蝕裕度的確定，也就是說“腐蝕裕度”，加到原有的壁厚上去。那么在設(shè)計(jì)時(shí)，也要盡量避免使用會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的金屬。但在實(shí)際生產(chǎn)中難以避免，因此應(yīng)設(shè)法消除殘余應(yīng)力，以防止應(yīng)力腐蝕破裂的發(fā)生。

3）壓力容器的腐蝕還與后續(xù)的制造安裝工藝有著密切關(guān)系，所以在之后的各種工藝上的加工制作也都要嚴(yán)格把控。為了防止壓力容器腐蝕，在加工上可以采取熱加工成型替代冷加工成型的方法。而對(duì)壓力容器應(yīng)力腐蝕比較嚴(yán)重的就要整體進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理或者有效的局部熱處理。

4 結(jié)束語

應(yīng)力腐蝕開裂在化工裝置中的壓力容器和壓力管道運(yùn)行中是一個(gè)普遍存在隱患及關(guān)注的問題，需要得到有效的分析、處理和控制，本文就這一問題分析，旨在對(duì)于壓力容器、壓力管道中應(yīng)力腐蝕的問題引起重視，為我國石油化工行業(yè)的良好發(fā)展和穩(wěn)定發(fā)展起到積極有效的作用。