浅析压力容器应力腐蚀及其控制措施

(台州市特种设备监督检验中心，浙江 台州 318000)
摘 要：文章阐述了压力容器应力腐蚀断裂产生的条件 和特征，并从合理选材、设计合理的结构、合理的制造工艺等方面提出了控制压力容器应力 腐蚀断裂的措施。
关键词：压力容器；应力腐蚀；残余应力
中图分类号：TQ050.9  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)06—0112—02

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。压力容器的应力腐蚀断裂(Stress  Corrosion  Cracking, 简称SCC)是指金属 在拉应力和特定的腐蚀性介质共同作用下发生的断裂破坏。SCC所引起的破坏在事先往往没 有明显的变形预兆而突然发生脆性断裂，其危害性相当大。因此，研究压力容器的应力腐蚀 断裂对确保压力容器安全运行是十分必要的。
1 应力腐蚀断裂产生的条件
1.1 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σS高于 320MPa 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 σS低于220MPa 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。
1.2 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:
1.2.1 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。
1.2.2 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。
1.2.3 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。
1.3 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。下面介绍一下碳钢和低合金钢焊制容器在NaOH、湿H2S的应力腐蚀环境。 
1.3.1 NaOH溶液。碳钢及低合金钢焊制化工容器如焊后或冷加工后，不进行消除应力热处理，则在NaOH溶液中 的使用温度不得大于表1所列的温度。当NaOH溶液在其与烃类的混合物中体积≥5%时，也应 根据NaOH溶液的浓度符合该表要求。NaOH溶液浓度≤１%或NaOH溶液在其与烃类的混合物中 体积＜5%时，不受限制。

1.3.2 湿H2S应力腐蚀环境。当化工容器接触的介质同时符合下列各项条件时，即湿Ｈ2Ｓ应力腐蚀环境：

①温度≤(60+2Ｐ)℃；P为压力，ＭＰa(表压)；②H2S分压≥0.00035ＭＰa即相当于常温在水中的Ｈ2Ｓ溶解度≥10^-5；③介质中含有液相水或处于水的露点温度以下；④pＨ＜９或有氰化物(ＨＣＮ)存在。
2 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——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。
3 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。
3.1 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 氢探伤等性能。
3.2 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。
3.3 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。
3.4 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。
4 结语

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。
［参考文献］
［1］ 于斐.压力容器的应力腐蚀及控制［J］. 管道技术与设备，2005,(2)：34～35 .
［2］ 杨洲,李明君,高磊.浅析压力容器应力腐蚀及其控制措施［J］.石油化工设备 ，2007：41～42.