石油化工靜設(shè)備應(yīng)力腐蝕開裂成因與防護(hù)

鐘鋒(九江檢安石化工程有限公司，江西 九江 332004)

0 引言

石油化工產(chǎn)業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，在生產(chǎn)過程中常會(huì)涉及到具有腐蝕性的介質(zhì)，因此各種設(shè)備將會(huì)產(chǎn)生一定的腐蝕現(xiàn)象。其中，最為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象之一就是基于應(yīng)力存在的腐蝕，其占據(jù)我國石油化工設(shè)備總腐蝕問題數(shù)量的50%。平均每年基于應(yīng)力腐蝕下造成的成本損失嚴(yán)重，因此需要積極加強(qiáng)應(yīng)力腐蝕問題的重視程度，采取相應(yīng)的解決措施實(shí)施必要的防護(hù)，進(jìn)而促使石油化工產(chǎn)業(yè)始終以較好的經(jīng)濟(jì)效益促進(jìn)社會(huì)總經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展。

1 應(yīng)力腐蝕開裂概述

應(yīng)力腐蝕一般情況下是指在石油化工生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用到的靜設(shè)備，受到外界的拉伸應(yīng)力變化影響或是特定介質(zhì)腐蝕等，促使設(shè)備當(dāng)中的合金部分由于不穩(wěn)定的金屬結(jié)構(gòu)遭受腐蝕破壞從而出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)際當(dāng)中發(fā)生應(yīng)力腐蝕的靜設(shè)備實(shí)際應(yīng)用狀況，發(fā)生應(yīng)力腐蝕變化之后，其中的金屬以及合金等受到腐蝕介質(zhì)的影響，難以形成電子保護(hù)作用，促使設(shè)備整體的強(qiáng)度受損，嚴(yán)重影響到其實(shí)際的應(yīng)用性能。如若靜設(shè)備的金屬受到的應(yīng)力為拉應(yīng)力，則促使其金屬的屈服強(qiáng)度也隨之降低，進(jìn)而促使靜設(shè)備難以保持原有的屈服強(qiáng)度，在出現(xiàn)任何環(huán)境變化因素影響時(shí)將會(huì)呈現(xiàn)出相對(duì)更加嚴(yán)重的破壞。且這樣的破壞無預(yù)兆，無明顯的預(yù)先變形問題[1]。并且由于在石油化工應(yīng)用當(dāng)中的靜設(shè)備出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕問題后出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象大多數(shù)為脆性斷裂問題，因此開裂現(xiàn)象延續(xù)之后將會(huì)出現(xiàn)明顯的晶界分支擴(kuò)展裂紋以及晶粒擴(kuò)展裂紋。石油化工作業(yè)環(huán)境當(dāng)中的靜設(shè)備由于其主要的構(gòu)成部分就是金屬與合金，并且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中基于高溫高壓環(huán)境以及運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的強(qiáng)應(yīng)力拉伸等，都將會(huì)促使靜設(shè)備發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

2 石油化工靜設(shè)備應(yīng)力腐蝕開裂的原因

2.1 拉應(yīng)力

由于石油化工生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的特殊性以及復(fù)雜性，各種靜設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)不同程度影響的應(yīng)力腐蝕問題。其中，造成這樣的現(xiàn)象最為直接的影響因素之一就是由于拉應(yīng)力的存在，進(jìn)而對(duì)靜設(shè)備造成程度不一的損壞，影響其實(shí)際的應(yīng)用效果。在石油化工作業(yè)當(dāng)中的靜設(shè)備受到拉應(yīng)力影響的方式多種多樣，其中最為明顯的就是基于在化工設(shè)備生產(chǎn)制作工作當(dāng)中所形成的殘余應(yīng)力問題。這樣的應(yīng)力主要是在設(shè)備的生產(chǎn)制造中機(jī)械加工設(shè)備的應(yīng)用，從而造成的附帶應(yīng)力。而另一種應(yīng)力影響方式主要是設(shè)備加工完成后，正式投入到使用當(dāng)中所形成的工作應(yīng)力的影響，促使靜設(shè)備受到拉扯從而影響其結(jié)構(gòu)硬度，出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象?；陟o設(shè)備在石油化工作業(yè)環(huán)境當(dāng)中的運(yùn)轉(zhuǎn)或是基于外界眾多應(yīng)力影響因素等，所形成的明顯殘余應(yīng)力將會(huì)促使設(shè)備在長(zhǎng)久磨損之下形成腐蝕問題，最終對(duì)其安全應(yīng)用效果造成嚴(yán)重的影響。一般情況，在石油化工靜設(shè)備應(yīng)力腐蝕問題中80%的占比是由于殘余應(yīng)力損壞所造成的；而剩余的20%則是因加工過程中以及各種外界因素的影響，促使靜設(shè)備出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。嚴(yán)重應(yīng)力腐蝕開裂問題將會(huì)對(duì)靜設(shè)備的使用造成嚴(yán)重安全影響，因此需要高度重視這一問題的產(chǎn)生以及進(jìn)行有效防護(hù)。

2.2 腐蝕環(huán)境

石油化工產(chǎn)業(yè)中設(shè)備所涉及到的生產(chǎn)環(huán)境多會(huì)儲(chǔ)存眾多的腐蝕性介質(zhì)，因此在實(shí)際的應(yīng)用過程當(dāng)中將會(huì)造成嚴(yán)重的腐蝕問題。在特殊的工作生產(chǎn)環(huán)境中，靜設(shè)備在特定介質(zhì)的長(zhǎng)久侵蝕下會(huì)出現(xiàn)受外力因素影響的腐蝕狀態(tài)。靜設(shè)備的工作環(huán)境需要承載高溫高壓狀態(tài)下的介質(zhì)，過高的工作溫度，為應(yīng)力腐蝕變化提供充分的機(jī)會(huì)，促使其出現(xiàn)明顯的腐蝕開裂現(xiàn)象。且眾多諸如NH+、Cl-以及酸性介質(zhì)等具有一定的腐蝕性，都會(huì)對(duì)靜設(shè)備的應(yīng)用造成腐蝕，從而形成嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象。

2.3 特定金屬與合金成分

靜設(shè)備的應(yīng)用往往需要處于相對(duì)較為復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，因此對(duì)靜設(shè)備的使用制作等提出了相對(duì)較高的要求，所應(yīng)用到的材料具有相對(duì)較高的標(biāo)準(zhǔn)。其中，最為常見應(yīng)用到的材料就是不銹鋼以及低合金鋼[2]，同時(shí)也會(huì)應(yīng)用到碳素鋼、低溫常用合金鋼等。大多數(shù)的石油化工產(chǎn)業(yè)壓力容器專用鋼為碳素鋼以及低合金鋼?；诨A(chǔ)性質(zhì)上的差異，低合金鋼與一般的結(jié)構(gòu)鋼相比較，含有少量的合金元素，從而起到優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的作用，起到一定的抗腐蝕效果。但是如若在靜設(shè)備的實(shí)際制造過程中難以應(yīng)用到符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的制作方式，或是在制作過程當(dāng)中難以添加相應(yīng)的防腐蝕材料等，都將會(huì)促使靜設(shè)備在石油化工生產(chǎn)過程當(dāng)中造成嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕問題。

3 石油化工靜設(shè)備應(yīng)力腐蝕開裂防護(hù)措施

3.1 優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)

雖然在石油化工生產(chǎn)的過程當(dāng)中，靜設(shè)備出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)象較為常見，但是這一問題同樣可以應(yīng)用到相對(duì)應(yīng)的辦法實(shí)施預(yù)防解決，并不是所有應(yīng)用到石油化工生產(chǎn)當(dāng)中的靜設(shè)備都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，其中主要是與靜設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料具有直接關(guān)系。如若靜設(shè)備實(shí)際應(yīng)用到的材料具有相對(duì)較高的穩(wěn)定性與質(zhì)量保障等，則能夠降低應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的概率，從而實(shí)現(xiàn)良好的質(zhì)量保障，有效延長(zhǎng)靜設(shè)備的使用時(shí)間。

因此在設(shè)計(jì)制作靜設(shè)備時(shí)，就需要選擇更加合理的結(jié)構(gòu)材料，以規(guī)避應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的發(fā)生，材料的選擇需要盡可能地避免應(yīng)用到具有易誘導(dǎo)開裂的材料。尤其是針對(duì)靜設(shè)備應(yīng)用過程當(dāng)中的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)部位，需要盡可能地選擇具有較高穩(wěn)定性，且應(yīng)用過程中不會(huì)出現(xiàn)腐蝕開裂的材料。而其他的結(jié)構(gòu)位置則可以應(yīng)用到價(jià)格相對(duì)較為低廉的材料，進(jìn)而在保障靜設(shè)備良好應(yīng)用效果的同時(shí)，也能夠避免制作成本過高，同時(shí)也能夠形成相對(duì)便捷的維護(hù)工作效果。

例如，在實(shí)際的石油化工生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境中，如氯離子的實(shí)際含量相對(duì)較高，則不適用奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)，需要應(yīng)用其他的材料進(jìn)行替換，保障設(shè)備結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高度的合理性，避免設(shè)備短時(shí)間更換造成的成本增加問題。與此同時(shí)，面對(duì)靜設(shè)備極易出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，做好防護(hù)處理工作，需要保障其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較高的合理性狀態(tài)，全面優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促使靜設(shè)備的應(yīng)用從源頭保障質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，促使靜設(shè)備承擔(dān)較弱的拉應(yīng)力，避免拉應(yīng)力過于集中，存積相應(yīng)的腐蝕物質(zhì)效果，減緩設(shè)備承受的腐蝕問題，從而形成相對(duì)較好的防護(hù)作用。

3.2 解決腐蝕問題

做好應(yīng)力腐蝕開裂問題的有效解決，才能夠避免開裂現(xiàn)象延伸對(duì)靜設(shè)備結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的影響。首先需要做好靜設(shè)備的清潔處理，避免殘留的腐蝕介質(zhì)在風(fēng)化作用下造成的濃縮現(xiàn)象，并且應(yīng)用高壓沖水的方式對(duì)靜設(shè)備的罐體內(nèi)壁實(shí)施清理，全面清除雜物，避免介質(zhì)腐蝕[3]。其次，需要盡可能地促使靜設(shè)備始終處于相對(duì)較為干燥的環(huán)境當(dāng)中。這是由于在罐體內(nèi)若存在著較多的水分，則會(huì)導(dǎo)致靜設(shè)備當(dāng)中的其他腐蝕物質(zhì)出現(xiàn)較為明顯的電化學(xué)作用，進(jìn)一步增加了靜設(shè)備的應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度。因此在靜設(shè)備的運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，需要盡可能地促使罐體呈現(xiàn)出較高的整潔效果，降低雜質(zhì)存量，規(guī)避應(yīng)力腐蝕。

對(duì)于容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的管道，緩解其工作環(huán)境當(dāng)中的腐蝕介質(zhì)濃度是最有效的防護(hù)措施。如果管道的實(shí)際工作環(huán)境存在著大量的氯離子，伴隨其他的酸性離子，則可以通過酸堿綜合的作用降低其中的酸性離子實(shí)際含量，進(jìn)而避免酸化腐蝕問題產(chǎn)生。靜設(shè)備的不同材料結(jié)構(gòu)其實(shí)際的抗腐蝕程度也大有不同，處于130 ℃環(huán)境下的316 L不銹鋼受到應(yīng)力腐蝕開裂的氯離子含量為10%，而氯離子含量為5%時(shí)則會(huì)促使2205雙相鋼出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂。因此在實(shí)際當(dāng)中為了降低腐蝕程度，需要應(yīng)用到相應(yīng)的脫氧劑來避免管道出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕問題。且金屬的應(yīng)力腐蝕問題則主要是基于電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的，氧氣濃度越高，則相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生更加明顯的應(yīng)力腐蝕問題?；谶@一現(xiàn)象，可以應(yīng)用脫氧劑降低靜設(shè)備工作環(huán)境當(dāng)中的氧氣含量，或是在靜設(shè)備表面涂抹油漆，以達(dá)到隔絕空氣的作用。

3.3 控制殘余應(yīng)力

結(jié)合實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，在石油化工產(chǎn)業(yè)當(dāng)中應(yīng)用到的靜設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，最主要的原因就是在于在加工過程中所形成的殘余應(yīng)力對(duì)其造成的拉伸，促使其出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此對(duì)這樣的問題實(shí)施必要的防護(hù)處理，需要注重在加工過程中的應(yīng)力控制，在靜設(shè)備應(yīng)用到生產(chǎn)后，需要采取相應(yīng)的措施控制殘余應(yīng)力，有效避免靜設(shè)備基于應(yīng)力腐蝕問題出現(xiàn)開裂，從而有效提升設(shè)備的使用壽命與質(zhì)量。結(jié)合石油化工生產(chǎn)加工當(dāng)中的全過程進(jìn)行研究分析來看，實(shí)際中最容易出現(xiàn)殘余應(yīng)力的環(huán)節(jié)就是設(shè)備的零部件的組裝與焊接。在組裝零部件時(shí)，若由于相關(guān)操作人員缺乏專業(yè)的技術(shù)水平，難以按照嚴(yán)格的操作規(guī)定實(shí)施零部件的拆裝，在實(shí)施過程中的工藝質(zhì)量無法達(dá)到既定的要求，操作人員強(qiáng)制拆卸的方式，將會(huì)造成零部件的損傷以及拉應(yīng)力的產(chǎn)生?；蚴窃诹悴考慕M裝過程當(dāng)中，由于尺寸鏈以及公差鏈等出現(xiàn)問題，即使完成了整體的組裝，但是各個(gè)零件的實(shí)際尺寸難以達(dá)到既定的要求，造成嚴(yán)重的殘余應(yīng)力問題。由于零部件在加工作過程中不能夠及時(shí)的消除應(yīng)力變化，最終將會(huì)促使靜設(shè)備出現(xiàn)較為嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

同時(shí)，殘余應(yīng)力也可能會(huì)在零部件的焊接過程當(dāng)中出現(xiàn)。常見的殘余應(yīng)力形成原因就是隨意焊接，無法按照嚴(yán)格的焊接施工標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行工作，難以有效消除處理焊接工件的最終應(yīng)力，這些應(yīng)力集中在靜設(shè)備的某一局部區(qū)域，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕問題。在石油化工生產(chǎn)當(dāng)中，大型工件的焊接方向若與設(shè)計(jì)中的不一致，同時(shí)也會(huì)造成后續(xù)出現(xiàn)的應(yīng)力無法排除的問題，多人合作的工作模式下，不能夠及時(shí)協(xié)調(diào)工件焊接的各個(gè)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致最終出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。殘余應(yīng)力過大，促使靜設(shè)備受損，降低使用效果，縮短使用時(shí)限，因此則需要應(yīng)用相應(yīng)的辦法及時(shí)排除應(yīng)力。

在實(shí)施焊接與組裝時(shí)，對(duì)工件實(shí)施熱處理，例如：正火、退火等加工方式，進(jìn)一步強(qiáng)化設(shè)備金屬材料所具有的延展性，達(dá)到排除應(yīng)力的作用；科學(xué)調(diào)試機(jī)械設(shè)備，促使既定的拉伸部位先行排除拉應(yīng)力，進(jìn)而避免在后續(xù)的應(yīng)用當(dāng)中出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的現(xiàn)象。各種零部件的加工過程中應(yīng)用到水壓試驗(yàn)、噴丸、震動(dòng)以及溫差拉伸等方式，都能夠?qū)?yīng)力起到一定的排出作用。同時(shí)，在施工過程當(dāng)中也需要遵照施工準(zhǔn)則實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)管，保障施工人員具有較高的責(zé)任意識(shí)，保障全面遵循既定工作原則，盡量避免殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

3.4 加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)

為避免石油化工生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用到的靜設(shè)備基于應(yīng)力腐蝕出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，需要及時(shí)的日常養(yǎng)護(hù)，從而起到一定的防護(hù)作用。首先需要相關(guān)人員及時(shí)對(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)比其非運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作狀態(tài)，確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題并實(shí)施必要的處理。全面監(jiān)測(cè)設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)，尤其是工作環(huán)境壓力、溫度等容易造成應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的因素等，都需要及時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。降低危險(xiǎn)因素，從而保障靜設(shè)備能夠在正常工作環(huán)境下相應(yīng)延長(zhǎng)使用時(shí)間。定期針對(duì)重點(diǎn)裝置實(shí)施全面檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問題由專業(yè)人士及時(shí)跟進(jìn)處理，避免靜設(shè)備長(zhǎng)期處于不正常運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)質(zhì)量問題。

4 結(jié)語

靜設(shè)備在石油化工生產(chǎn)當(dāng)中作用十分關(guān)鍵，因此需要注重防護(hù)應(yīng)力腐蝕作用下造成的開裂問題，保障合理的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，排除殘余應(yīng)力影響，及時(shí)解決既有的應(yīng)力腐蝕問題，并做好后續(xù)養(yǎng)護(hù)處理，才能夠延長(zhǎng)靜設(shè)備使用壽命，更好地保障企業(yè)生產(chǎn)效益。