浅析压力容器的应力腐蚀及断裂控制|硫化氢应力腐蚀下压力容器设计制造

　　摘要：压力容器主要应用于石油化工行业，由于其盛装着易燃、易爆、有毒或腐蚀性介质，并且长期承受高温高压作用，是危险性较高的特种设备，在生产和使用中的失效形式比较复杂，易发生事故。应力腐蚀是压力容器腐蚀破坏的重要形式,尤其是这种断裂失效呈脆性断裂的特点,易导致灾难性后果。
　　关键词：压力容器；应力腐蚀；预防措施
　　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 it’s 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
　　中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
　　1 应力腐蚀概述
　　应力腐蚀是金属材料在腐蚀性介质和拉伸应力的共同作用下发生的一种破坏形式。金属发生应力腐蚀时，腐蚀和应力这两个因素相互促进的，一方面腐蚀使金属的有效截面积减小和表面上形成缺口，产生应力集中，如果是晶间腐蚀，则会使金属晶粒之间的结合力降低；另一方面，应力加速了腐蚀的进展，使表面缺口向更深处（或沿晶间）扩展，最终导致断裂。在应力腐蚀中，如果应力是交变的拉伸应力，这种腐蚀叫做疲劳腐蚀。在疲劳腐蚀过程中，首先也是在表面形成腐蚀缺口引起应力集中，成为疲劳裂纹的策源点。在交变拉伸应力的作用下，被破坏的保护膜无法再恢复，沉积在腐蚀坑底部的始终是处在活性状态且构成腐蚀电池的阳极。这样在腐蚀与交变应力的共同作用下，裂纹不断扩散直至金属材料最后断裂。
　　压力容器的腐蚀破裂都是应力腐蚀，因为压力容器一般都承受较大的拉伸应力，而它的结构也常常难以避免地有程度不同的应力集中处，如设备的开孔、焊缝等，且容器的工作介质又常常是带腐蚀性的。
　　2 应力腐蚀破裂的机理
　　2.1阳极溶解机理
　　在应力的协助或协同作用下，加速金属内活性区的溶解而导致断裂的机理，统称为阳极溶解机理。它包括膜破裂理论、活性通道理论、快速溶解理论、闭塞电池理论和钝化膜致裂理论等。
　　2.2氢致开裂机理
　　氢致开裂机理认为，由于裂纹中酸度提高，电位的降低，有利于H+离子还原的阴极过程，析出的氢部分被金属吸收并向内部扩散，因而引起了氢致开裂，这种机理取决于氢能否进入金属及金属是否有高度氢致开裂敏感性。
　　2.3阳极溶解型和氢致开裂型机理的判定
　　如果应力腐蚀的阴极反应是放氢的，而氢富集后控制了裂纹的形核和扩展，则属于氢致开裂型；如果阴极反应是吸氧，或者虽然是放氢反应，但进入金属的氢低于氢致开裂的临界值，这种应力腐蚀开裂称为阳极溶解型。由于这两类应力腐蚀机理不同，对每一类应力腐蚀体系，首先要确定它是阳极溶解型还是氢致开裂型，才能进一步提出控制措施。
　　3 应力腐蚀断裂产生的条
　　3.1特定的材料化学成份与组织
　　研究表明:钢材强度越高,产生应力腐蚀裂纹的倾向也越大。综合国内外许多调查资料,屈服强度ΡS高于320M Pa的钢材焊制的液氨储罐,几乎都发现有应力腐蚀裂纹,而屈服强度 ΡS低于220M Pa的低碳钢储罐,只有比例很小的几台存在少量的应力腐蚀裂纹,而且产生应力腐蚀的设备,材料主要是奥氏体不锈钢与碳钢。
　　3.2拉伸应力
　　只有当拉伸应力超过临界应力时压力容器才会发生应力腐蚀断裂。压力容器中的拉伸应力有3个来源:
　　3.2.1外应力。在一定压力下操作产生的应力,内外温度差、反复加热和冷却所引起的操作应力等。
　　3.2.2残余应力。压力容器的残余应力来源很广主要来自深拉、冲孔、管板内胀管配合不当的铆接、焊接等制造过程,安装固定衬里施工也会产生残余应力。
　　3.2.3腐蚀产物及腐蚀过程。阳极溶解所形成的各种产物的体积,一般都大于被腐蚀掉的金属体积,这种体积变化在闭塞部位可以导致很大的应力。
　　3.3环境因素
　　环境因素,尤其是腐蚀介质,对产生应力腐蚀断裂十分重要,只有特定的材料在拉伸应力和一定环境的组合情况下,才能发生应力腐蚀断裂。另外,溶液的温度对应力腐蚀断裂也有影响。一般来说,温度升高,易发生应力腐蚀断裂。但温度过高,由于全面腐蚀的进行,却抑制了应力腐蚀断裂。此外,对某些体系来说,存在一个临界断裂温度,即在此温度下应力腐蚀断裂最敏感。
　　4 应力腐蚀断裂的特征
　　金属在无裂纹、无蚀坑或缺陷的情况下，应力腐蚀断裂过程可分为 3个阶段，首先是萌生阶段，即由于腐蚀引起裂纹或蚀坑的阶段；其次为裂纹扩展阶段，即由裂纹源或蚀坑到达极限应力值（单位面积所能承受最大载荷）为止的这一阶段；最后是失稳断裂阶段。前一阶段受应力影响很小，时间长，约占断裂总时间的 90%，后两阶段时间短，为总断裂时间的10%。在有裂纹的情况下，应力腐蚀断裂过程只有裂纹扩展和失稳断裂阶段。可见，应力腐蚀断裂可能在很短时间内发生，但也可能几年后才发生。腐蚀区裂纹一般呈树枝状，主干方向与拉应力方向垂直。对于某些材料如奥氏体不锈钢裂纹及断口的形态与应力大小有密切关系，当应力较小时，其裂纹为一条直裂纹，应力中等时裂纹呈分枝形裂纹；应力较大时裂纹呈网络状裂纹。因此，可以根据裂纹形状对压力容器所受应力情况作初步判断。裂纹断口一般脆性断裂的特征，没有宏观的塑性变形的痕迹。从微观上观察，应力腐蚀裂纹形态有沿晶形、穿晶型和混合型 。不同的金属一环境体系，将出现不同的裂纹状态。例如，镍基合金、铝合金和高强度钢多是沿晶型的，奥氏体不锈钢多是穿晶型的，而钛合金为混合型的。但是即使同种合金，随着环境、应力大小的改变，裂纹形态也会随之改变。
　　5 控制压力容器应力腐蚀断裂的措施
　　通过以上对压力容器应力腐蚀机理的分析可以看出,由于压力容器的腐蚀涉及到材料、结构设计、制造、工艺操作等多种因素 ,因此控制压力容器腐蚀应在以下几个方面采取相应的对策。
　　5.1 合理选材
　　综合考虑压力容器的具体用途和工况环境来选材。若工作温度比较高 ,则需考虑材料的热强度和热脆性 ,同时还要考虑材料耐局部腐蚀 ,如晶间腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及氢损伤等性能。
　　5.2 设计合理的结构
　　压力容器设计时, 应注意以下几方面: ①焊缝应尽量远离应力集中处。②结构不连续处应圆滑过渡。③ 避免采用刚性过大的结构。
　　5.3合适的制造方法
　　为避免产生残余应力 , 在制造压力容器时应尽可能采用热加工成型。如必须采用冷加工成型时,应采取喷丸或热处理等措施消除冷加工残余应力。根据具体需要,还可以采取进行整体热处理或局部热处理来消除残余应力。为防止不锈钢制压力容器焊缝的晶间腐蚀, 可以采用小规范焊接,使输出热量尽量少,并尽量缩短焊接热循环。对高强度不锈钢和低合金高强度钢, 焊接时应采用烘烤过的低氢焊条, 焊接过程中, 周围环境应保持清洁干燥, 应防止水和水蒸气进入熔池导致焊缝氢脆。
　　5.4衬里防护
　　有些压力容器内介质的腐蚀性特别强,没有合适的耐蚀金属材料或材料特别昂贵 , 对于这种情况可采用衬里的方法来解决腐蚀问题。一般压力容器采用的衬里有不锈钢、钛、橡胶、玻璃钢、聚四氟乙烯、搪玻璃等 ,要根据容器内的介质特性、工作压力、工作温度等具体情况而定。衬不锈钢、衬钛适用于压力和温度较高的场合, 但施工困难 , 成本较高。衬非金属材料则使用温度和压力都不能太高, 因而受到一些限制。
　　6 结束语
　　锅炉压力容器是工业生产中的常用设备，又是比较容易发生破坏事故的一类设备。据相关的调查显示，因腐蚀造成的事故占全部事故的1/3以上，而应力腐蚀又占腐蚀事故的35%，所以，研究应力腐蚀破裂的机理和控制措施，对防止锅炉压力容器破坏事故的发生具有重要的意义。压力容器应力腐蚀对设备的安全运行威胁极大,不容忽视。只要弄清压力容器应力腐蚀破坏原因, 对腐蚀形态进行分析和研究 , 采取有效的防范措施,就可以减缓或抑制腐蚀破坏,确保设备的正常运行。
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