壓力容器中一種易縫隙腐蝕的連接結(jié)構(gòu)

柳 杰

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院太倉分院，江蘇太倉 215400）

0 引言

縫隙腐蝕是一種常見的局部腐蝕形式，常發(fā)生于壓力容器的連接部位，如法蘭連接、螺栓連接、密封墊片處，部分焊接結(jié)構(gòu)處，金屬貼合部位等?？p隙腐蝕會對材料造成破壞，使連接結(jié)構(gòu)發(fā)生泄漏失效、強(qiáng)度失效。有文獻(xiàn)提到在乙炔生產(chǎn)系統(tǒng)中高壓干燥器外筒體支撐結(jié)構(gòu)貼合處發(fā)生縫隙腐蝕[1]，會導(dǎo)致筒體強(qiáng)度不足或支撐失效。縫隙腐蝕的發(fā)生部位較為隱蔽，在腐蝕擴(kuò)展到縫隙外之前，縫隙外觀變化不明顯，發(fā)生過程不易發(fā)覺，因此在生產(chǎn)制造中應(yīng)該充分重視縫隙腐蝕發(fā)生的可能，從源頭避免縫隙腐蝕的發(fā)生。

1 腐蝕機(jī)理

縫隙腐蝕的發(fā)生有縫隙和介質(zhì)兩個必備條件，縫隙提供閉塞區(qū)，介質(zhì)提供離子存在的場所。一般將縫隙腐蝕劃分為孕育、開始、增殖3個階段[2]。關(guān)于縫隙腐蝕的機(jī)理有兩種理論，一種是氧濃差電池理論，一種是IR（電流-電阻）降理論[3]。

1.1 縫隙腐蝕過程

舉例溶解有氧的海水[4～5]中，縫隙腐蝕狀態(tài)：初期孕育階段縫隙內(nèi)部金屬表面上陽極溶解M→M++e；陰極還原O2+2H2O+4e→4OH-；縫隙內(nèi)的氧被不斷消耗。

1.2 氧濃差電池理論

按照氧濃差電池理論：反應(yīng)發(fā)生一段時間后，縫隙內(nèi)氧減少，氧化還原反應(yīng)減弱；縫隙內(nèi)金屬M(fèi) 繼續(xù)溶解，M+增多；隨著正電荷增加，為保持電荷平衡，陰極離子往縫內(nèi)運(yùn)動；陰極離子導(dǎo)致縫隙內(nèi)介質(zhì)的pH 值降低，陽極溶解加速，致使縫隙腐蝕加劇。

1.3 IR 降理論

按照IR 降理論：反應(yīng)發(fā)生一段時間后，縫隙內(nèi)氧減少；縫隙內(nèi)外的陽極區(qū)和陰極區(qū)會形成電流通路，介質(zhì)的電阻導(dǎo)致內(nèi)外產(chǎn)生電壓降，造成電位差，縫隙腐蝕加劇。

2 縫隙腐蝕的發(fā)生和影響因素

2.1 縫隙腐蝕的發(fā)生

在GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》中冷卻水腐蝕提到：冷卻水腐蝕是冷卻水中由溶解鹽、氣體、有機(jī)化合物或微生物活動引起碳鋼和其他金屬的腐蝕。縫隙腐蝕縫隙腐蝕是冷卻水腐蝕的形式之一，碳鋼、所有不銹鋼、銅、鋁、鈦和鎳基合金受冷卻水腐蝕。300 系列不銹鋼在新鮮水、半咸水、鹽水、海水系統(tǒng)中可產(chǎn)生縫隙腐蝕。

酸性水腐蝕中提到，含有硫化氫且pH 值介于4.5～7.0 的酸性水引起的金屬腐蝕，介質(zhì)中也可能含有二氧化碳。300 系列不銹鋼易發(fā)生點(diǎn)蝕，還可能出現(xiàn)縫隙腐蝕和氯化應(yīng)力腐蝕開裂。

2.2 幾何因素

縫隙的內(nèi)外面積、縫隙寬度深度、幾何形狀是縫隙腐蝕的相關(guān)因素。Rosenfeld[6]研究了2Cr13 在0.5 mol/L 的NaCl 溶液中的縫隙腐蝕，給出了腐蝕速率和腐蝕深度與縫隙寬度的關(guān)系。通過圖1 可以發(fā)現(xiàn)，縫隙寬度0.1～0.15 mm 時縫隙腐蝕率最高，腐蝕程度最為嚴(yán)重。關(guān)于316 不銹鋼的縫隙腐蝕，縫隙寬度對于腐蝕的發(fā)生和擴(kuò)展有重要影響，縫隙寬度為1 mm 時不會發(fā)生縫隙腐蝕。

圖1 縫隙寬度與腐蝕率、腐蝕深度的關(guān)系

當(dāng)縫隙足夠淺和寬時，如縫隙的寬度＞0.25 mm 時，縫隙區(qū)域無法形成閉塞區(qū)，在不論是氧濃差理論還是IR降理論中，縫隙內(nèi)介質(zhì)的氧氣濃度可以與縫隙外保持一致，縫隙腐蝕會始終處于孕育階段，只會造成輕微的全面腐蝕。當(dāng)縫隙的寬度在0.025～0.15 mm 時，縫隙腐蝕會經(jīng)歷孕育階段、開始階段、增殖階段，最終造成較為嚴(yán)重的局部腐蝕。其中縫隙的寬度在0.1～0.15 mm 腐蝕速率明顯增大，是縫隙腐蝕最易發(fā)生的尺寸。當(dāng)縫隙的寬度＜0.025 mm 時，氧氣很難進(jìn)入縫隙，縫隙腐蝕不會進(jìn)入孕育階段，并且腐蝕產(chǎn)生的產(chǎn)物會堵塞縫隙，將縫隙內(nèi)外隔絕，阻止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生。

因此，在生產(chǎn)制造中應(yīng)盡量避免縫隙的產(chǎn)生，當(dāng)受限于結(jié)構(gòu)時，縫隙應(yīng)保持淺而寬，不應(yīng)深而窄，以防止縫隙腐蝕的產(chǎn)生和加劇。

2.3 其他因素

介質(zhì)的pH 值、金屬中的合金元素、介質(zhì)中的溶解氧，可能存在的還原菌等都會對縫隙腐蝕產(chǎn)生影響。在存在離子的地下水溶液的環(huán)境中[7]，碳鋼與低合金鋼Corten A 均會發(fā)生縫隙腐蝕，腐蝕過程中閉塞區(qū)的pH 值降低，低合金鋼Corten A 的腐蝕程度更加嚴(yán)重。在長時間與介質(zhì)接觸的過程中，合金元素Cr、Cu、Si 降低了Corten A 的耐腐蝕性能。碳鋼的縫隙腐蝕與溫度相關(guān)，溫度升高，腐蝕速率增大，當(dāng)介質(zhì)氧濃度升高，腐蝕速率增大。研究還表明，硫酸鹽還原菌等會加重Q235 鋼的縫隙腐蝕[8]。

因此在生產(chǎn)制造中，應(yīng)按照材料的不同，嚴(yán)格控制介質(zhì)中的Cl-含量、pH 值、溶解氧等，充分考慮材料與介質(zhì)在縫隙結(jié)構(gòu)的作用下，發(fā)生縫隙腐蝕的可能性。

3 一種筒體與管板連接結(jié)構(gòu)

3.1 基本情況

在監(jiān)檢某臺換熱器時，發(fā)現(xiàn)這臺設(shè)備管板、管程筒體短節(jié)和殼程筒體連接采用圖2 所示的結(jié)構(gòu)。換熱器設(shè)計參數(shù)如下。

圖2 焊接結(jié)構(gòu)

設(shè)計壓力：殼程1.5 MPa，管程1.2 MPa。

設(shè)計溫度：殼程230 ℃，管程50 ℃。

介質(zhì)：殼程高溫氣，管程冷卻水。

材料：管板16MnIII，管程筒體短節(jié)Q345R，殼程筒體Q345R。

此結(jié)構(gòu)出自GB/T 151—2014《熱交換器》附錄I“不兼做法蘭的管板與筒體連接可以采用圖I.2 中結(jié)構(gòu)”（圖3）。該連接結(jié)構(gòu)中的管板與筒體交界面采用筒體端部與管板凸臺焊接，部分筒體與部分管板緊緊貼合。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)給出的焊接結(jié)構(gòu)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，縫隙深度為L=0.25δ1-（0.3～0.5）δ。

3.2 情況分析

縫隙的深度：管板厚度與筒體厚度相差越大時，L 越大，越容易造成閉塞區(qū)域，此臺換熱器的L=41～44.5 mm，這對于縫隙腐蝕的防護(hù)是不利的。

縫隙的寬度：在制造中，貼合面由于殼體不圓度、焊接熔融物進(jìn)入等因素，會使某些部位的縫隙處在0.025～0.15 mm，處于易發(fā)生縫隙腐蝕的寬度尺寸；并且在0.1～0.15 mm時，縫隙腐蝕速率較大。

材料與介質(zhì)：此臺設(shè)備的管程介質(zhì)為50 ℃的冷卻水，材料為碳鋼，易發(fā)生冷卻水腐蝕，而縫隙腐蝕為冷卻水腐蝕的形式之一，因此碳鋼材料與冷卻水介質(zhì)易發(fā)生縫隙腐蝕。冷卻水介質(zhì)在不同工藝的長期使用中，如果沒有得到有效的凈化和控制，可能會有Cl-含量升高、pH 值下降、溶解氧增加等情況，這對于縫隙腐蝕的防護(hù)十分不利。換熱設(shè)備管程和殼程的交界處，材料和附近介質(zhì)的溫度隨工作情況有升降的波動，會進(jìn)一步影響縫隙腐蝕的發(fā)生和擴(kuò)展。

綜上所述，監(jiān)檢員認(rèn)為此連接結(jié)構(gòu)有發(fā)生縫隙腐蝕的可能，應(yīng)做出修改。通過與制造廠溝通，增加一道密封焊，將管板與筒體的縫隙密封。

4 縫隙腐蝕的檢出

縫隙腐蝕的發(fā)生部位較為隱蔽，在腐蝕擴(kuò)展到縫隙外之前縫隙外觀變化不明顯，發(fā)生過程不易發(fā)覺，給縫隙腐蝕的檢驗帶來了困難。為提高縫隙腐蝕的檢出，給出以下建議。

（1）充分掌握設(shè)備情況，明晰設(shè)備可能存在的縫隙部位，如本文提到存在貼合面的連接結(jié)構(gòu)、換熱設(shè)備換熱管與管板的脹接部位、設(shè)備墊板等。

（2）監(jiān)控介質(zhì)的離子變化、pH 值變化、氧含量等，通過腐蝕產(chǎn)物判斷有無腐蝕發(fā)生。

（3）日常使用管理和檢查中，關(guān)注縫隙部位是否有腐蝕產(chǎn)生，及時發(fā)現(xiàn)縫隙腐蝕的擴(kuò)展。

（4）定期檢修和檢驗中，對可拆卸的縫隙貼合面，拆卸后檢驗和修理，保持貼合面的干凈，并且可以修復(fù)或增加覆層來使貼合面與介質(zhì)隔絕。

（5）對不可拆卸的縫隙貼合面，可以采用高壓水沖洗等方法沖刷縫隙，通過檢查有無腐蝕產(chǎn)物沖出，判斷是否發(fā)生縫隙腐蝕，或采用其他技術(shù)觀察縫隙內(nèi)情況。

（6）增加縫隙腐蝕掛片，通過對掛片的檢查，判斷是否有縫隙腐蝕的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

在壓力容器設(shè)計制造中，應(yīng)充分重視縫隙腐蝕，綜合考慮設(shè)計參數(shù)與設(shè)備結(jié)構(gòu)，避免設(shè)備在使用中發(fā)生縫隙腐蝕。同時也提醒在設(shè)備日常使用管理和檢驗時，應(yīng)充分關(guān)注設(shè)備存在結(jié)構(gòu)縫隙的部位，加強(qiáng)檢查和檢驗，及時發(fā)現(xiàn)、及時處理。

在設(shè)計制造中主要采用結(jié)構(gòu)調(diào)整和縫隙材料與介質(zhì)隔絕的方法來實(shí)現(xiàn)縫隙腐蝕的防護(hù)，可以采用以下措施：①合理設(shè)計的結(jié)構(gòu)，避免產(chǎn)生縫隙；②因結(jié)構(gòu)、工藝等原因需保留縫隙的，縫隙應(yīng)該淺且寬；③增加密封焊，將縫隙封閉；④結(jié)合面覆層；⑤使用抗縫隙腐蝕的材料；⑥嚴(yán)格控制介質(zhì)中的離子含量、pH 值、氧含量等。