压力容器在设计制造过程中应力腐蚀开裂的规避分析

摘 要：在分析压力容器设计制造过程中应力腐蚀开裂现象规避问题时，必须对应力腐蚀开裂现象的有关内容进行深入探讨。本文围绕应力腐蚀开裂的特点、影响因素及裂纹的主要形态进行了介绍，提出避免应力集中在压力容器的同一位置、重视对残余应力的处理工作等规避应力腐蚀开裂现象的有效方式，以供参考。

关键词：压力容器;制造过程;应力腐蚀开裂现象;同一位置

压力容器是指盛装气体或液体，能够承载一定压力的密闭设备。一般来说，压力容器的制造工序可以分为原材料验收、切割、除锈、机加工（包含刨边等）、焊接、无损、热处理、防腐等工序。其中，由于应力处理不当而引发的压力容器腐蚀开裂现象必须予以重视，否则将会给后续使用带来不便甚至引发重大事故。

1.压力容器在设计制造过程中应力腐蚀开裂的特性及产生原因

1.1应力腐蚀开裂现象的特性分析

应力腐蚀现象是指在拉应力的作用下，金属在腐蚀介质中引发的破坏。此种腐蚀通常穿过晶粒，即所谓穿晶腐蚀。应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂。一般来说，压力容器设计制造过程中，应力腐蚀开裂现象的特性如下：

第一，相对于单一金属材质，合金材料容器更容易在拉应力的作用下产生腐蚀现象;

第二，拉应力并不是固定的，设计时还需考虑参与应力、外部施加的应力等;

第三，应力腐蚀环境相对固定，故进行处理时可以充分运用此项原理;

第四，应力腐蚀开裂现象一旦出现，压力容器呈现出的主要特点为“脆性”，即容器的性能将会大受影响;

第五，应力腐蚀开裂现象必须在外部温度达到一定高度之后才会产生;

第六，常见的应力腐蚀开裂现象分为“裂纹”和“成核”两种，根據周边环境、施加应力的大小，应力腐蚀开裂过程的持续时间从几分钟到几年均有可能。

第七，应力腐蚀开裂现象产生的裂纹普遍为沿晶或穿晶形态。通常情况下，如果压力容器使用的合金材料属于同一类别，则裂纹的形式、形态基本一致[1]。

1.2引发应力腐蚀开裂的主要原因

引发压力容器应力腐蚀开裂的主要原因如下：

第一，应力腐蚀拉应力。此处的拉应力并非单一、压力容器设计制造必备的拉应力，而是指工程应力、残余应力、装配应力三者叠加之下产生的综合性应力。总体来说，如果设计制造过程中残余应力无法得到有效控制，仅靠此种应力即会引发腐蚀开裂现象。

第二，压力容器设计制造的过程中出现应力腐蚀现象的必要条件在于：出现了应力集中源（一般是指表面的裂纹、裂纹缺陷等）。当残余应力或其他腐蚀介质作用于应力集中源时，裂纹必然由小变大，最终开裂。

第三，腐蚀剂浓度配比出现问题，没有注重温度控制、金属纯度不足等均会导致应力腐蚀开裂。

2.压力容器在设计制造过程中应力腐蚀开裂的有效规避方式

2.1避免应力集中出现在同一位置

如上文所述，如果应力过于集中，压力容器表面某处将会因为无法承受而出现裂纹，进而形成开裂。然而残余应力在压力容器设计制造过程中极为常见，无论是焊接、扭转，还是冲压、过载螺纹连接等过程中，均会产生残余应力。不仅如此，如果设计制造过程中的温度提升速度无法得到良好控制，在“骤然”变化的过程中，也会生产残余应力。基于此，可以从以下方面着手，尽量避免出现应力过于集中的情况：

首先，焊接、螺栓连接等作业环节极易产生缝隙，由此导致应力无法“均匀”作用于压力容器表面，故而按照严格的操作、检查标准执行有关作业，消除裂缝，能够起到一定的作用。

其次，压力容器表面容易受到腐蚀而形成“小坑”。当残余应力等“流经”时，容易在此类区域集中，进而在双重压力的作用下，产生裂纹，并纵向延伸，导致开裂。因此，必须防备压力容器表面单一点位遭受腐蚀。

再次，与单一点位遭受腐蚀而形成“小坑”相类似，如果单一点位受到应力的集中“挤压”，也会使该位置出现破损，进而生成应力集中源，最终导致开裂。故而在设计制造时（特别是安装过程），应该避免装配应力对压力容器表面造成破坏，需要“轻拿轻放”。

最后，一些大型压力容器的某些部位（如接合部位等）震动频率较高，如果连接的稳固程度不足，也可能造成容器表面出现应力集中源。针对此种情况，接合部位需要采用相对稳固的连接方式（相比之下，铆接方式的稳固性较差，故而在设计制造过程中应该尽量避免采用此种方式）。此外，一些锻件的断面（横截面）必须受到严密保护，不可使其直接暴露在环境中。进行模锻件制造安装时，需要注意流线保护，同样避免暴露[2]。

2.2重视对残余应力的处理工作

残余应力是造成压力容器应力腐蚀开裂现象的主因且很容易产生，故而从源头出发，重视对残余应力的处理工作，及时调整或将之完全消除，哪怕压力容器表面出现了应力集中源，也不会导致较为严重的后果。目前，常见的处理方式如下：第一，采用热处理方式，能够直接消除残余应力。前文提到，压力容器的制造材质多为金属材料，可以将设备或是需要用到的零部件放置于高温环境下，持续时长可以是几天，也可以是几个小时;之后进行缓慢冷却。在此过程中，残余应力将会消失殆尽。需要注意的是，金属材料也会受到温度的影响，如果未能注意，金属的性能将会受到影响（如软化等）。因此，处理过程必须严谨，避免顾此失彼。第二，在压力容器或零部件的表面，通过振动、喷丸等方式，使残余应力逐渐降低。此种处理过程还可以将残余的“拉应力”转变为残余的“压应力”，目的在于提升材料抵抗应力腐蚀的能力，进而从另一个角度解决应力腐蚀开裂问题。

3.结语

压力容器及一些零部件遭受应力时，很容易出现开裂现象。如果投入应用后，因为应力腐蚀原因导致存有危险品的压力容器损坏，很可能引发危险品泄漏甚至爆炸等重大安全事故。因此，压力容器设计制造过程中，设计人员和制造单位必须时刻小心谨慎、高度负责，严格执行每项程序，避免开裂现象。

参考文献：

[1]董蓓蓓.压力容器制造与维修中常见问题的解决对策[J].化工管理，2020（15）：134-135.

[2]赵子亮.压力容器设计存在的问题及解决措施[J].化工管理，2020（10）：194-195.

作者简介：

刘文丽（1982—），女，汉族，天津，中级，本科，主要研究压力容器方向。