压力容器和压力管道应力腐蚀开裂机理及影响因素分析

刘太成

（甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃兰州 730000)

在石油化工生产中，腐蚀情况普遍，而且大多数是对金属材料产生腐蚀，由此可见，金属材料腐蚀的概率是非常大的并且影响扩大化，这往往会造成不可避免的损失，尤其是对于大型石油化工领域造成的经济损失以及对人员的生命安全造成威胁。应力腐蚀的裂纹扩展速率一般为10-9～10-6m/s。如疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直大到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂，所以后续会发生很严重的事故。由此可见，对于压力容器和压力管道应力腐蚀开裂的研究具有重要意义。

1 压力容器和压力管道应力腐蚀开裂机理

1）应力腐蚀是产生的失效现象，是在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏。而应力腐蚀一般认为有阳极溶解和氢致开裂两种。常见的应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏，破坏的表面和未被破坏的表面分别形成阳极和阴极。而在应力腐蚀过程中，经过实验表明，当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，但加上阴极电流时则能阻止应力腐蚀，一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。

2）为防止一些零件的应力腐蚀，首先应合理选择材料，避免使用对应力腐蚀敏感的材料，可以采用抗应力腐蚀的不锈钢材料。之后应合理设计零件和构件，减少应力集中。改善腐蚀环境。例如可在腐蚀介质中添加缓蚀剂，也是防止应力腐蚀的措施。采用金属或非金属保护层，可以隔绝腐蚀介质的作用。除此之外，采用阴极保护法、电化学保护也可减小或阻止应力腐蚀。

3）阳极溶解理论认为阳极溶解应力腐蚀的机理包括滑移溶解理论、钝化膜致脆理论、择优溶解理论、腐蚀促进局部塑形变形导致脆断等。滑移溶解理论认为，发生应力腐蚀开裂的合金表面有一层钝化膜，钝化膜存在局部薄弱点，在应力作用下合金基体内部位错会沿滑移面产生移动，形成滑移阶梯。当滑移阶梯的形成而发生相应变形时，钝化膜就会破裂并裸露出新鲜表面，并与腐蚀介质接触，发生快速阳极溶解。当溶解相当大的区域后，由于氧气的吸附，活性离子转换，又形成表面膜，使溶解区重新进入钝化状态，便形成“隧洞”。这时位错停止沿滑移面滑移并被锁住，造成位错重新塞积。在应力作用下，位错重新开始移动，表面钝化膜破裂形成无膜区后新露出的表面又快速溶解。经过滑移金属阳极溶解以及钝化过程的循环往复最后导致了应力腐蚀裂纹的形成和扩展。

4）氢致开裂理论：阳极为金属溶解，这一类应力腐蚀就称为氢致开裂型应力腐蚀。比如，高强钢在水溶液中的应力腐蚀就是一种氢致开致型应力腐蚀。这就是说，氢致开裂应力腐蚀是氢致滞后开裂的一种表现形式，所以这类应力腐蚀的机理就和氢致滞后开裂机理相同。

2 压力管道和压力容器应力腐蚀开裂产生的影响因素

1）应力腐蚀破裂产生的影响因素，比如在一些特定的环境中，硫酸盐等腐蚀性溶液与作用于合金内部的拉应力相结合的时候，铸造镁合金，特别是含铝镁合金在低于其屈服强度的静载荷作用下，具有强烈的应力腐蚀敏感性；而应力腐蚀往往降低材料性能，制约镁合金的应用。合金成分、力学性能和环境因素对镁合金应力腐蚀开裂影响严重，抑制镁合金应力腐蚀开裂需要同时控制临界应力、敏感合金的载荷和应力腐蚀开裂环境三种因素。应力腐蚀破裂是指拉应力和一种特定腐蚀介质共同存在而引起的破裂。镁合金对应力腐蚀非常敏感，必须加以保护。

2）在处理介质环境因素中，最终导致压力管道和压力容器产生应力腐蚀开裂的原因有很多，受到各种因素的影响。比如离子的种类，离子的浓度，pH等。这些因素通过影响材料的电化学行为等，而对裂纹的形成和拓展过程产生影响。而且在压力容器中介质因素方面：随着氯离子浓度的增加也会让奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂的敏感性增加，但如果溶液中的氯化物浓度过高，那么也会让破裂的时间减少。所以介质因素也是导致压力管道和压力容器应力腐蚀开裂的原因。

3）对于材料应力腐蚀中，因为具有独特的鲜明特点，应力腐蚀破坏特征，可以帮助我们识别破坏事故是否属于应力腐蚀，但要综合考量，不能只凭借一点特征就过早地下结论。造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力，这个应力可以是外加应力，也可以是焊接、冷加工或热处理产生的残留拉应力。只有特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。例如B黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏，而A黄铜在水中就能破裂。应力腐蚀破坏的端口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物，而疲劳端口的表面，如果是新鲜端口通常较光滑，有光泽；而在压力容器中的材料方面可以做出一些改变，如在不锈钢中增加碳、氮等可以对稳定奥氏体组织有利的元素，这样可以提高不锈钢应力腐蚀破裂的敏感性，进而降低破裂情况的发生概率。

3 压力管道和压力容器防腐蚀的基本内容

1）管道在工作环境中的腐蚀损伤，是关系到装置的安全性、可靠性以及使用寿命的重要问题。特别是化工装置的管道，在高温、低温、高压及强腐蚀性介质中使用，与其他工业装置相比，使用条件非常苛刻，因此压力管道的防腐蚀设计，就是在设计中为防止腐蚀而采取的较为完善的措施，尤为重要。

2）在考虑防腐蚀材料的选择上要选择有良好的耐蚀性能的材料，从腐蚀的速率（一般要求为0.05～0.1mm/a），材料有没有产生局部腐蚀的条件及材料耐局部腐蚀的性能，耐应力腐蚀破裂及腐蚀疲劳性能；防腐蚀强度设计就是对于全面腐蚀的腐蚀裕度的确定，也就是说“腐蚀裕度”，加到原有的壁厚上去。那么在设计时，也要尽量避免使用会产生应力腐蚀破裂的金属。但在实际生产中难以避免，因此应设法消除残余应力，以防止应力腐蚀破裂的发生。

3）压力容器的腐蚀还与后续的制造安装工艺有着密切关系，所以在之后的各种工艺上的加工制作也都要严格把控。为了防止压力容器腐蚀，在加工上可以采取热加工成型替代冷加工成型的方法。而对压力容器应力腐蚀比较严重的就要整体进行消除应力热处理或者有效的局部热处理。

4 结束语

应力腐蚀开裂在化工装置中的压力容器和压力管道运行中是一个普遍存在隐患及关注的问题，需要得到有效的分析、处理和控制，本文就这一问题分析，旨在对于压力容器、压力管道中应力腐蚀的问题引起重视，为我国石油化工行业的良好发展和稳定发展起到积极有效的作用。