壓力容器的應(yīng)力腐蝕及檢驗(yàn)中的問題研究

張藝瀟

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

在拉伸應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境中，金屬構(gòu)件產(chǎn)生的斷裂問題被稱作應(yīng)力腐蝕斷裂。近年壓力容器呈現(xiàn)大型化和高溫高壓化的趨勢，同時，大量利用高強(qiáng)度鋼，因此增多壓力容器破壞問題發(fā)生率，而事故主要引發(fā)原因包括應(yīng)力腐蝕斷裂。應(yīng)力腐蝕引發(fā)的事故具有較大的破壞力，這是因?yàn)閼?yīng)力腐蝕引發(fā)的變形問題并沒有任何預(yù)兆，而是突然產(chǎn)生脆性斷裂情況。因此，要加強(qiáng)研究壓力容器的應(yīng)力腐蝕斷裂。

1 概述應(yīng)力腐蝕

特定的金屬材料和合金材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同影響下產(chǎn)生的特殊開裂問題被稱作應(yīng)力腐蝕。發(fā)生應(yīng)力腐蝕的必要條件之一是壓力容器的應(yīng)力，在壓力容器中經(jīng)常會產(chǎn)生載荷應(yīng)力和殘余內(nèi)應(yīng)力，這兩種應(yīng)力都會引發(fā)應(yīng)力腐蝕問題。載荷應(yīng)力指因?yàn)楣ぷ鹘橘|(zhì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，在壓力容器中普遍存在這種拉應(yīng)力。而殘余應(yīng)力包含不同的內(nèi)容，在設(shè)備運(yùn)行和停車階段殘余應(yīng)力都會產(chǎn)生負(fù)面作用。此外，腐蝕介質(zhì)和材料之間就有針對性，特定的腐蝕介質(zhì)只會作用于特定材料，從而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕問題。例如，在拉伸應(yīng)力和特定材料的影響下，金屬材料才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕問題。這說明發(fā)生應(yīng)力腐蝕需要同時具備拉伸應(yīng)力和腐蝕因素。發(fā)生腐蝕問題后，將會不斷減少金屬截面積，并且會在金屬表面產(chǎn)生缺口，同時在缺口部位通常會集中應(yīng)力，而集中應(yīng)力之后將會提高腐蝕速度，不斷擴(kuò)大金屬表面的缺口，最終將會引發(fā)斷裂問題。很多壓力容器產(chǎn)生腐蝕開裂的問題，主要是因?yàn)閼?yīng)力腐蝕引發(fā)的。例如，在載荷應(yīng)力和焊接應(yīng)力的影響下，或者在壓力容器結(jié)構(gòu)中存在應(yīng)力集中的情況，這些因素都會增加壓力容器的拉伸應(yīng)力，從而在壓力容器中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕問題。

2 應(yīng)力腐蝕破裂的特征

2.1 存在拉伸應(yīng)力

發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂需要應(yīng)力作用，該應(yīng)力通常低于材料屈服強(qiáng)度，如果拉伸應(yīng)力比較小，那么應(yīng)力腐蝕斷裂將會維持較長的斷裂時間；如果拉伸應(yīng)力低于特定值，應(yīng)力腐蝕不會繼續(xù)產(chǎn)生斷裂破壞，這一階段的臨界應(yīng)力值被稱作腐蝕斷裂的門檻值。

2.2 腐蝕介質(zhì)具有特定性

金屬材料組合某些特定介質(zhì)才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的問題，針對其他的腐蝕介質(zhì)，材料的應(yīng)力腐蝕開裂速度相對較低。表1是很容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的金屬材料和環(huán)境介質(zhì)組合。

表1 容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料和環(huán)境介質(zhì)的組合

2.3 斷裂速度

應(yīng)力腐蝕斷裂速度處于10-3～10-1cm/h范圍內(nèi)，這一速度大于正常情況下的腐蝕速度，同時，小于單純力學(xué)因素引發(fā)的斷裂速度，通常產(chǎn)生脆性斷裂的斷口形貌。

3 應(yīng)力腐蝕斷裂的產(chǎn)生條件

3.1 特定材料化學(xué)成分和組織

通過研究確定，鋼材具有較高強(qiáng)度時，將會增大應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生率。結(jié)合調(diào)查研究顯示，利用屈服強(qiáng)度在320MPa以上的金屬材料時，這類材料制造的液氨儲罐將會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。而低碳鋼制造的儲罐屈服強(qiáng)度在220MPa范圍內(nèi)，其應(yīng)力腐蝕裂紋發(fā)生率比較低。分析易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的壓力容器材料，通常是以奧氏體不銹鋼和碳鋼為主。

3.2 拉伸應(yīng)力

當(dāng)拉伸應(yīng)力超過應(yīng)力門檻值后，將會引發(fā)應(yīng)力腐蝕斷裂問題。壓力容器拉伸應(yīng)力的產(chǎn)生主要是以下三個方面：（1）外應(yīng)力。容器設(shè)備的操作運(yùn)行環(huán)境伴隨著多種應(yīng)力，這一階段產(chǎn)生的應(yīng)力被稱作外應(yīng)力，運(yùn)行階段內(nèi)外溫度差和反復(fù)加熱、冷卻等階段產(chǎn)生的應(yīng)力也屬于外應(yīng)力。（2）殘余應(yīng)力。壓力容器殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，在容器制造過程中，焊接接頭形式不合理和裝配過程中對口強(qiáng)力組裝都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，安裝固定襯里時施工不當(dāng)也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。（3）在腐蝕過程中，陽極溶解產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物體積通常大于被腐蝕的金屬體積，這些產(chǎn)物在閉塞部位會產(chǎn)生較大應(yīng)力。

3.3 環(huán)境因素

環(huán)境溫度和介質(zhì)濃度以及pH值等因素會直接影響金屬材料和合金材料的應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感性。（1）壓力容器的工作溫度超過電化學(xué)腐蝕開始發(fā)生的閾值，將會增大腐蝕發(fā)生的概率。（2）介質(zhì)濃度直接影響應(yīng)力腐蝕，例如，液氨的含水量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.005%或＞0.2%時應(yīng)力腐蝕的敏感性較低。（3）pH值也會直接影響應(yīng)力腐蝕，pH值較低的情況下，不銹鋼應(yīng)力腐蝕速度通常比較快。此外，含氧量也會對應(yīng)力腐蝕有影響，如介質(zhì)中存在氯離子環(huán)境，溶解氧含量過低將會導(dǎo)致不銹鋼腐蝕。

4 壓力容器檢驗(yàn)中典型的應(yīng)力腐蝕

4.1 液氨壓力容器的應(yīng)力腐蝕

無水液氨會腐蝕鋼材料，使材料發(fā)生減薄?？諝馔瑫r會污染液氨，例如，在停車檢查、充料和排料階段，介質(zhì)環(huán)境為液氨的壓力容器很容易發(fā)生該問題，如果空氣混入液氨中，氧氣和二氧化碳將會對液氨應(yīng)力腐蝕起促進(jìn)作用，液氨和氧氣以及二氧化碳等產(chǎn)生反應(yīng)后將會產(chǎn)生氨基甲酸銨，這類材料將會劇烈腐蝕碳鋼，在拉伸應(yīng)力的影響下，鋼材表面的鈍化膜將會因此破裂，從而引發(fā)應(yīng)力腐蝕。這種應(yīng)力腐蝕的主要表現(xiàn)是在表面產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，在裂紋中包含腐蝕物。碳鋼材料對其具有較高的敏感性，而液氨純度、溫度和容器的應(yīng)力分布情況是應(yīng)力腐蝕主要的影響因素。

液氨環(huán)境下壓力容器的材料強(qiáng)度和工作溫度以及液氨純度都直接影響應(yīng)力腐蝕速率。同時，容器的焊縫附近可能存在較高的殘余應(yīng)力，這一部分將會產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕。純液氨和含水量在0.2%以上的液氨只會輕微地腐蝕鋼板，但是，在充裝、排料和檢維修過程中，液氨容器很容易被空氣污染：在二氧化碳和氧氣作用下會加快腐蝕速率，因此，在容器的日常維護(hù)中使用單位需要加強(qiáng)分析液氨的成分及含水量。在日常檢驗(yàn)和全面檢驗(yàn)時，都要注意液氨成分，同時重點(diǎn)關(guān)注壓力容器工作壓力和工作溫度等。

4.2 氯離子引發(fā)的應(yīng)力腐蝕

因奧氏體不銹鋼的鈍化膜上很容易吸附氯離子，結(jié)合鈍化膜附近的陽離子后將會產(chǎn)生可溶性的氯化物，因此，破壞整個鈍化膜在金屬表面形成腐蝕小坑，在氯離子腐蝕的作用下會繼續(xù)破壞表面的鈍化膜。腐蝕坑內(nèi)水解的氯化物會降低pH值，產(chǎn)生具備酸性的溶液，因而腐蝕金屬，產(chǎn)生過多的鐵離子后將會呈現(xiàn)出電中性，同時，氯離子向腐蝕坑內(nèi)不斷移動，進(jìn)一步加劇氯化物的水解反應(yīng)，嚴(yán)重腐蝕金屬最終導(dǎo)致金屬穿裂。這種應(yīng)力腐蝕會導(dǎo)致金屬直接發(fā)生開裂問題，并且不會產(chǎn)生減薄的情況。在檢驗(yàn)過程中，檢驗(yàn)人員經(jīng)常會遇到奧氏體不銹鋼等應(yīng)力腐蝕開裂敏感金屬，壓力容器的工作溫度和氯離子濃度以及應(yīng)力情況等會直接影響這種腐蝕。

經(jīng)過統(tǒng)計可以確定通常是在焊縫附近產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕問題，這說明引發(fā)應(yīng)力腐蝕的主要原因是焊接殘余應(yīng)力，因此，檢驗(yàn)人員需要重視焊縫及熱影響區(qū)等部位。在檢驗(yàn)不銹鋼材料制壓力容器的過程中，需要注意介質(zhì)的氯離子含量，有利于規(guī)避應(yīng)力腐蝕問題。因?yàn)樵谡５墓ぷ鳝h(huán)境下壓力容器不會產(chǎn)生壓力腐蝕，但是，在停車階段或者發(fā)生操作不良的階段，將會引發(fā)應(yīng)力腐蝕問題。這是因?yàn)閴毫θ萜髦写嬖跉埩舻穆然锏?，在壓力容器?nèi)壁表面附著包含氯離子的水溶液，從而引發(fā)壓力容器腐蝕破壞，因此，停車后要徹底清理容器內(nèi)的介質(zhì)。

5 控制壓力容器應(yīng)力腐蝕斷裂的措施

5.1 合理選材

很多工業(yè)企業(yè)無法改變工況環(huán)境，在這一背景下為了控制壓力容器應(yīng)力腐蝕斷裂，需要綜合分析環(huán)境中存在的腐蝕因子，因此，選擇合理的材料，例如，要選擇低碳鋼和鐵素體鋼材料，并且要保障材料服務(wù)強(qiáng)度在220MPa范圍內(nèi)。如果需要利用高剛強(qiáng)材料，需要進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝。

5.2 降低應(yīng)力

（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造。在設(shè)計和制造壓力容器的過程中，要注意均勻的分布應(yīng)力，避免在局部位置集中應(yīng)力。例如，連接不等壁厚需要降低過渡連接的坡度，可以選用圓滑過渡方式，注意不能在拉應(yīng)力部位設(shè)置焊縫。針對立式設(shè)備盡量規(guī)避利用懸掛式支座和搭接式裙座。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要盡量清除縫隙和死角，縫隙和死角處易聚集濃縮腐蝕物質(zhì)，并且會不斷提高縫隙中的腐蝕物質(zhì)濃度，從而引發(fā)應(yīng)力腐蝕問題。因此，焊接工藝設(shè)置時，應(yīng)將焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)置為全焊透結(jié)構(gòu)，此外，在連接換熱器和管板的過程中，要優(yōu)先選用脹焊并用結(jié)構(gòu)。

（2）利用熱處理。焊接壓力容器的過程中，在焊縫熱影響區(qū)中很容易產(chǎn)生拘束應(yīng)力，如果這一應(yīng)力超過材料屈服極限值，那么在腐蝕環(huán)境中將會引發(fā)應(yīng)力腐蝕問題。因此，針對壓力容器的應(yīng)力腐蝕環(huán)境，在焊接之前需要提前預(yù)熱，完成焊接工作后需要退火熱處理，將殘留的應(yīng)力及時清除。金屬成分和組織變形程度等因素直接影響熱處理溫度和保溫時間等，下表是金屬和合金熱處理溫度和冷卻時間。

表2 金屬及合金熱處理溫度和冷卻時間

5.3 改善工作環(huán)境

（1）襯里防護(hù)。一些壓力容器內(nèi)部包含腐蝕性介質(zhì)，如果沒有選擇合適的耐蝕性金屬材料，可以采用襯里防護(hù)措施。壓力容器的襯里主要包括不銹鋼和橡膠以及玻璃鋼等，需要綜合壓力容器介質(zhì)特征和工作壓力以及工作溫度等選擇壓力容器的襯里。如果壓力容器的壓力和溫度比較高，適合使用不銹鋼和鈦的襯里，但這兩種材料具有較高的施工難度，而且成本也較高。而非金屬材料的襯里對工況要求比較嚴(yán)格，需要較低的工作溫度和壓力，因此增加了使用限制條件。

（2）處理介質(zhì)條件。如果企業(yè)經(jīng)濟(jì)條件允許，需要合理處理易產(chǎn)生腐蝕的介質(zhì)，將腐蝕傾向大的有害成分脫除，也可以根據(jù)實(shí)際情況選用緩蝕劑和抗垢劑等，有利于有效控制應(yīng)力腐蝕，同時，可以提高壓力容器的抗腐蝕能力。

5.4 加強(qiáng)預(yù)測壓力容器應(yīng)力腐蝕傾向

在檢驗(yàn)壓力容器的過程中，需要合理分析壓力容器應(yīng)力腐蝕傾向。一方面，在資料審查時，需要結(jié)合設(shè)備原始資料中的材料、介質(zhì)、工況等方面分析壓力容器可能發(fā)生的應(yīng)力腐蝕機(jī)理，根據(jù)分析結(jié)果制定科學(xué)的檢驗(yàn)方案，采取合理的檢驗(yàn)技術(shù)和條件等。另一方面，在壓力容器檢驗(yàn)階段，需要結(jié)合資料審查時分析出可能出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕傾向，同時，結(jié)合設(shè)備現(xiàn)有缺陷的形貌特征判斷已產(chǎn)生的裂紋是否是因?yàn)閼?yīng)力腐蝕，從而確定是否需要借助其他檢驗(yàn)手段和檢測方法對設(shè)備增加新的檢測部位、擴(kuò)大檢測比例，精準(zhǔn)檢出應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的位置，保證檢驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

5.5 合理選擇檢驗(yàn)重點(diǎn)部位

（1）加強(qiáng)檢驗(yàn)液體滯留和固體物沉積的部位，這些部位包括容器底部、底封頭和排液口等；（2）在連接結(jié)構(gòu)中有些部位易產(chǎn)生縫隙死角，這些部位包括脹接結(jié)構(gòu)和容器支撐件等；（3）重點(diǎn)檢驗(yàn)應(yīng)力集中部位，例如焊接交叉部位和T型焊結(jié)構(gòu)等；（4）加強(qiáng)檢驗(yàn)容器的氣液相過渡部位，以及熱水塔底部和換熱交換器的底部；（5）檢查局部溫度變化幅度較大的部位，特別是需要檢查壓力容器的局部過熱點(diǎn)，關(guān)注飛溫等問題；（6）加強(qiáng)檢驗(yàn)壓力容器進(jìn)料口、管口角焊縫和管口壁體。

如果通過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂問題，檢驗(yàn)人員需要綜合分析裂紋的形態(tài)、數(shù)量、具體發(fā)生部位和開裂程度等，結(jié)合硬度檢測結(jié)果，必要時可通過金相檢測確定裂紋的特征和性質(zhì)。如果壓力容器產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，需要合理改進(jìn)檢驗(yàn)方案，加大力度檢驗(yàn)壓力容器的內(nèi)表面，同時，需要擴(kuò)大硬度檢測和金相檢測的范圍，有利于有效處理缺陷，保障壓力容器運(yùn)行的安全性。

6 結(jié)語

應(yīng)力腐蝕對壓力容器具有較大的危險性，體現(xiàn)出壓力容器檢驗(yàn)工作的重要性，包括使用單位的日常檢查、年度檢查及檢驗(yàn)單位的全面檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時，需要結(jié)合相關(guān)資料分析壓力容器可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的機(jī)理，從而提出針對性的預(yù)防措施和處理措施，保障壓力容器運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，推動工業(yè)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。