張勇

摘要：壓力容器主要應用于石油化工行業(yè)，由于其盛裝著易燃、易爆、有毒或腐蝕性介質，并且長期承受高溫高壓作用，是危險性較高的特種設備，在生產(chǎn)和使用中的失效形式比較復雜，易發(fā)生事故。應力腐蝕是壓力容器腐蝕破壞的重要形式,尤其是這種斷裂失效呈脆性斷裂的特點,易導致災難性后果。

關鍵詞：壓力容器；應力腐蝕；預防措施

Abstract: The pressure vessels are mainly used in petrochemical industry, because they contain the flammable, explosive, toxic or corrosive medium, and they are bared the long term high temperature and high pressure, they are the higher risk and special equipments, in theproduction and use , the failure form is complex, and its easy to occurred accident. The stress corrosion is the important form of pressure vessel corrosion failure, especially the failure is brittle fracture characteristics, it easily lead to the disastrous consequences.

Key words: pressure vessel; stress corrosion; preventive measures

中圖分類號：TU74文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

1 應力腐蝕概述

應力腐蝕是金屬材料在腐蝕性介質和拉伸應力的共同作用下發(fā)生的一種破壞形式。金屬發(fā)生應力腐蝕時，腐蝕和應力這兩個因素相互促進的，一方面腐蝕使金屬的有效截面積減小和表面上形成缺口，產(chǎn)生應力集中，如果是晶間腐蝕，則會使金屬晶粒之間的結合力降低；另一方面，應力加速了腐蝕的進展，使表面缺口向更深處（或沿晶間）擴展，最終導致斷裂。在應力腐蝕中，如果應力是交變的拉伸應力，這種腐蝕叫做疲勞腐蝕。在疲勞腐蝕過程中，首先也是在表面形成腐蝕缺口引起應力集中，成為疲勞裂紋的策源點。在交變拉伸應力的作用下，被破壞的保護膜無法再恢復，沉積在腐蝕坑底部的始終是處在活性狀態(tài)且構成腐蝕電池的陽極。這樣在腐蝕與交變應力的共同作用下，裂紋不斷擴散直至金屬材料最后斷裂。

壓力容器的腐蝕破裂都是應力腐蝕，因為壓力容器一般都承受較大的拉伸應力，而它的結構也常常難以避免地有程度不同的應力集中處，如設備的開孔、焊縫等，且容器的工作介質又常常是帶腐蝕性的。

2 應力腐蝕破裂的機理

2.1陽極溶解機理

在應力的協(xié)助或協(xié)同作用下，加速金屬內(nèi)活性區(qū)的溶解而導致斷裂的機理，統(tǒng)稱為陽極溶解機理。它包括膜破裂理論、活性通道理論、快速溶解理論、閉塞電池理論和鈍化膜致裂理論等。

2.2氫致開裂機理

氫致開裂機理認為，由于裂紋中酸度提高，電位的降低，有利于H+離子還原的陰極過程，析出的氫部分被金屬吸收并向內(nèi)部擴散，因而引起了氫致開裂，這種機理取決于氫能否進入金屬及金屬是否有高度氫致開裂敏感性。

2.3陽極溶解型和氫致開裂型機理的判定

如果應力腐蝕的陰極反應是放氫的，而氫富集后控制了裂紋的形核和擴展，則屬于氫致開裂型；如果陰極反應是吸氧，或者雖然是放氫反應，但進入金屬的氫低于氫致開裂的臨界值，這種應力腐蝕開裂稱為陽極溶解型。由于這兩類應力腐蝕機理不同，對每一類應力腐蝕體系，首先要確定它是陽極溶解型還是氫致開裂型，才能進一步提出控制措施。

3 應力腐蝕斷裂產(chǎn)生的條

3.1特定的材料化學成份與組織

研究表明:鋼材強度越高,產(chǎn)生應力腐蝕裂紋的傾向也越大。綜合國內(nèi)外許多調(diào)查資料,屈服強度ΡS高于320M Pa的鋼材焊制的液氨儲罐,幾乎都發(fā)現(xiàn)有應力腐蝕裂紋,而屈服強度 ΡS低于220M Pa的低碳鋼儲罐,只有比例很小的幾臺存在少量的應力腐蝕裂紋,而且產(chǎn)生應力腐蝕的設備,材料主要是奧氏體不銹鋼與碳鋼。

3.2拉伸應力

只有當拉伸應力超過臨界應力時壓力容器才會發(fā)生應力腐蝕斷裂。壓力容器中的拉伸應力有3個來源:

3.2.1外應力。在一定壓力下操作產(chǎn)生的應力,內(nèi)外溫度差、反復加熱和冷卻所引起的操作應力等。

3.2.2殘余應力。壓力容器的殘余應力來源很廣主要來自深拉、沖孔、管板內(nèi)脹管配合不當?shù)你T接、焊接等制造過程,安裝固定襯里施工也會產(chǎn)生殘余應力。

3.2.3腐蝕產(chǎn)物及腐蝕過程。陽極溶解所形成的各種產(chǎn)物的體積,一般都大于被腐蝕掉的金屬體積,這種體積變化在閉塞部位可以導致很大的應力。

3.3環(huán)境因素

環(huán)境因素,尤其是腐蝕介質,對產(chǎn)生應力腐蝕斷裂十分重要,只有特定的材料在拉伸應力和一定環(huán)境的組合情況下,才能發(fā)生應力腐蝕斷裂。另外,溶液的溫度對應力腐蝕斷裂也有影響。一般來說,溫度升高,易發(fā)生應力腐蝕斷裂。但溫度過高,由于全面腐蝕的進行,卻抑制了應力腐蝕斷裂。此外,對某些體系來說,存在一個臨界斷裂溫度,即在此溫度下應力腐蝕斷裂最敏感。

4 應力腐蝕斷裂的特征

金屬在無裂紋、無蝕坑或缺陷的情況下，應力腐蝕斷裂過程可分為 3個階段，首先是萌生階段，即由于腐蝕引起裂紋或蝕坑的階段；其次為裂紋擴展階段，即由裂紋源或蝕坑到達極限應力值（單位面積所能承受最大載荷）為止的這一階段；最后是失穩(wěn)斷裂階段。前一階段受應力影響很小，時間長，約占斷裂總時間的 90%，后兩階段時間短，為總斷裂時間的10%。在有裂紋的情況下，應力腐蝕斷裂過程只有裂紋擴展和失穩(wěn)斷裂階段?？梢姡瑧Ωg斷裂可能在很短時間內(nèi)發(fā)生，但也可能幾年后才發(fā)生。腐蝕區(qū)裂紋一般呈樹枝狀，主干方向與拉應力方向垂直。對于某些材料如奧氏體不銹鋼裂紋及斷口的形態(tài)與應力大小有密切關系，當應力較小時，其裂紋為一條直裂紋，應力中等時裂紋呈分枝形裂紋；應力較大時裂紋呈網(wǎng)絡狀裂紋。因此，可以根據(jù)裂紋形狀對壓力容器所受應力情況作初步判斷。裂紋斷口一般脆性斷裂的特征，沒有宏觀的塑性變形的痕跡。從微觀上觀察，應力腐蝕裂紋形態(tài)有沿晶形、穿晶型和混合型 。不同的金屬一環(huán)境體系，將出現(xiàn)不同的裂紋狀態(tài)。例如，鎳基合金、鋁合金和高強度鋼多是沿晶型的，奧氏體不銹鋼多是穿晶型的，而鈦合金為混合型的。但是即使同種合金，隨著環(huán)境、應力大小的改變，裂紋形態(tài)也會隨之改變。

5 控制壓力容器應力腐蝕斷裂的措施

通過以上對壓力容器應力腐蝕機理的分析可以看出,由于壓力容器的腐蝕涉及到材料、結構設計、制造、工藝操作等多種因素 ,因此控制壓力容器腐蝕應在以下幾個方面采取相應的對策。

5.1 合理選材

綜合考慮壓力容器的具體用途和工況環(huán)境來選材。若工作溫度比較高 ,則需考慮材料的熱強度和熱脆性 ,同時還要考慮材料耐局部腐蝕 ,如晶間腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕及氫損傷等性能。

5.2 設計合理的結構

壓力容器設計時, 應注意以下幾方面: ①焊縫應盡量遠離應力集中處。②結構不連續(xù)處應圓滑過渡。③ 避免采用剛性過大的結構。

5.3合適的制造方法

為避免產(chǎn)生殘余應力 , 在制造壓力容器時應盡可能采用熱加工成型。如必須采用冷加工成型時,應采取噴丸或熱處理等措施消除冷加工殘余應力。根據(jù)具體需要,還可以采取進行整體熱處理或局部熱處理來消除殘余應力。為防止不銹鋼制壓力容器焊縫的晶間腐蝕, 可以采用小規(guī)范焊接,使輸出熱量盡量少,并盡量縮短焊接熱循環(huán)。對高強度不銹鋼和低合金高強度鋼, 焊接時應采用烘烤過的低氫焊條, 焊接過程中, 周圍環(huán)境應保持清潔干燥, 應防止水和水蒸氣進入熔池導致焊縫氫脆。

5.4襯里防護

有些壓力容器內(nèi)介質的腐蝕性特別強,沒有合適的耐蝕金屬材料或材料特別昂貴 , 對于這種情況可采用襯里的方法來解決腐蝕問題。一般壓力容器采用的襯里有不銹鋼、鈦、橡膠、玻璃鋼、聚四氟乙烯、搪玻璃等 ,要根據(jù)容器內(nèi)的介質特性、工作壓力、工作溫度等具體情況而定。襯不銹鋼、襯鈦適用于壓力和溫度較高的場合, 但施工困難 , 成本較高。襯非金屬材料則使用溫度和壓力都不能太高, 因而受到一些限制。

6 結束語

鍋爐壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設備，又是比較容易發(fā)生破壞事故的一類設備。據(jù)相關的調(diào)查顯示，因腐蝕造成的事故占全部事故的1/3以上，而應力腐蝕又占腐蝕事故的35%，所以，研究應力腐蝕破裂的機理和控制措施，對防止鍋爐壓力容器破壞事故的發(fā)生具有重要的意義。壓力容器應力腐蝕對設備的安全運行威脅極大,不容忽視。只要弄清壓力容器應力腐蝕破壞原因, 對腐蝕形態(tài)進行分析和研究 , 采取有效的防范措施,就可以減緩或抑制腐蝕破壞,確保設備的正常運行。

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