淺析應力腐蝕對壓力容器的影響及預防措施

劉佳寧 王福新 孫中華 劉海濱

摘 要：壓力容器是應用于化工、石油、制藥、輕工、能源、環保和食品等行業生產工藝過程中所涉及的關鍵典型設備，因其制造的特殊性，在制造及使用的過程中會遇到多種泄漏現象，其中由于應力腐蝕造成的泄漏成為最危險的事故之一。據統計，應力腐蝕造成的安全事故在腐蝕事故中所占的比例高達35%。本文對S30408不銹鋼壓力容器應力腐蝕的實例進行了簡要介紹，對產生的問題做了分析并提出避免此種泄漏的解決措施。為今后類似產品的設計與制造提供參考意見，增加預防能力，減低質量事故頻率。

關鍵詞：壓力容器；應力腐蝕

一、情況簡介

2012年，某壓力容器制造單位為遼寧某化工廠自行設計制造了一臺脫丁乙烷塔冷卻器，封頭材質為S30408不銹鋼，采用標準GB24511-2009，殼程介質位iC04 ，管程介質為冷卻水，設備預期使用壽命為10年。

2015年1月，用戶發現正在運行的一臺壓力容器設備外頭蓋短節與封頭環焊縫處外側漏氣，情況較為嚴重。接到問題反饋后，制造商高度重視，因其問題較為嚴重，故協商用戶停車，將問題部件運回，進一步查明原因后再給出處理方案。

二、原因分析

1. 相關檢驗與化驗

首先無損檢測人員復查了出廠時的短節與封頭環焊縫射線底片（20%射線檢測），并無裂紋現象（見圖1），符合標準要求。

然后對泄漏處做了局部射線檢測，確認裂紋（見圖2）。

最后對泄漏處進行了切割打磨處理并做了100%著色檢測（見圖3圖4）。

射線檢測結論：封頭直邊段存在嚴重裂紋。

著色檢測結果：短節與封頭環焊縫內側（與殼程介質接觸側）在封頭直邊段位置存在規律性縱向裂紋，裂紋長度不等約為5-15mm，泄漏處裂紋已延伸至焊縫熱影響區外側。

為了進一步查清不銹鋼封頭裂紋產生的原因，制造商對產生裂紋的封頭做了取樣并做了化學成份分析，其復驗結果符合GB24511-2009標準要求。

2.應力腐蝕

應力腐蝕是金屬在殘余或外加應力導致的應變和腐蝕聯合作用下（并有一定的溫度條件）所引起的腐蝕裂紋。應力腐蝕現象較為復雜，當應力不存在時，腐蝕甚微；當有應力后，金屬會在腐蝕不嚴重的情況下發生裂紋。產生應力腐蝕包括四個要素：敏感的金屬材料、特定的介質環境、處于應力狀態下、經過一定的時間。

3. 初步分析結果

設備母材為S30408奧式體不銹鋼，封頭成型工藝為旋壓成型，成型后未經熱處理，由于封頭成型時，產生形變，會改變奧氏體不銹鋼的局部晶間組織，產生微量馬氏體，導致奧氏體母材處于相對不穩定狀態，同時，封頭與短節焊接處也正是殘余應力最集中處；易對奧式體不銹鋼產生應力腐蝕的介質含有氯離子、氯化物+蒸汽、濕硫化氫、堿液等，而這些物質又都是化工廠中最為常見的。

結合實物裂紋形態、所處位置（裂紋均處在封頭與短節的焊縫邊緣的封頭側，且與焊縫垂直）以及設備使用時間（2年），初步判斷是由較緩慢的應力腐蝕所導致的（一般應力腐蝕出現在1周到2個月）。風頭壓制過程中的應力集中和腐蝕性環境是產生裂紋的主要原因。

注：無法排除設備在運行中出現的運行條件突變或外界產生的振動等因素導致應力腐蝕。

三、返修方案

為了安全和避免該問題再發生，制造商重新定制封頭，封頭由旋壓冷加工改為熱壓加工并做固溶處理，以此消除封頭應力。將問題封頭切割掉后，新封頭與原短節重新焊接，并對短節與封頭環焊縫做100%射線檢測。

四、預防措施及建議

1.對用戶的建議

經了解，該設備殼體部分已更換多次，說明其殼程實際使用壽命遠低于管程。由于內壓容器在使用過程中，即使進行消除應力熱處理，也不可避免的會受到拉應力的作用（壓應力不會造成應力腐蝕）。即便封頭經過熱處理或采用熱成型，仍建議用戶徹底排查殼程介質中是否存在對奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕的介質。

為保證壓力容器安全運行，結合問題產品出現的應力腐蝕現象，現場運行系統內類似產品極有可能存在同樣情況，所以用戶有必要對殼程介質流經的系統內奧氏體不銹鋼產品進行質量隱患排查。對運行過程進行嚴格控制，例如介質中若有硫化氫，應嚴格控制水蒸氣的進入。

建議用戶針對有應力腐蝕傾向的部件制作備件，并定期更換，以保證設備運行不受影響，避免造成不必要的損失。

2.對設計者的建議

設計圖樣上應嚴格標注材料及熱處理要求，對變形量較大、殘余應力較高的零部件，若與易產生應力腐蝕的介質接觸，則成型后應特別注明需進行消除應力熱處理（固溶處理），以恢復母材本身的晶間組織結構。

若已知接觸介質為極易產生應力腐蝕的介質，建議設備選材上優先選擇超低碳（S31603）不銹鋼、加入抗應力腐蝕元素（S32168）的不銹鋼或奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼等。

參考文獻：

[1]TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術監察規程.

[2]GB150-2011 壓力容器.

[3]肖元超等 不銹鋼封頭典型裂紋原因分析及修復 《熱處理技術與裝備》2012年第1期.