奧氏體不銹鋼壓力管道的應力腐蝕開裂及預防

袁穎

摘要：筆者主要對奧氏體不銹鋼壓力管道的應力腐蝕開裂產生機理、影響因素及預防措施等進行了分析討論，以期為壓力管道設計安裝單位？檢驗檢測機構以及化工企業在選材？檢驗和運行維護等方面提供參考。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼;壓力管道;應力腐蝕開裂

1奧氏體不銹鋼壓力管道應力腐蝕開裂機理

由于應力腐蝕的影響因素較多，過程也比較復雜，因此對奧氏體不銹鋼壓力管道應力腐蝕開裂的機理尚無較清晰的認識。但對大量研究工作進行分析可知，當奧氏體不銹鋼壓力管道輸送的介質為酸性氣體或液體時，其應力腐蝕開裂機理以氫致應力腐蝕開裂為主;當輸送腐蝕介質為中性或堿性的氣體或液體時，其應力腐蝕開裂機理則主要遵循“滑移溶解斷裂”模型。

1.1氫致應力腐蝕開裂

在拉應力誘導擴散的作用下，氫元素向裂紋尖端區域聚集。同時，拉應力導致的位錯運動也會攜帶氫運動，當位錯受阻于其他缺陷或發生反應時，氫元素將在這些位置上富集。氫元素具有使鈍化膜穩定性顯著下降？加速陽極溶解等作用，在氫和拉應力的協同作用下，材料的應力腐蝕敏感性大大增加。由于氫和拉應力的相互作用最強，故在最大拉應力處聚集的氫最多，這促進應力腐蝕裂紋尖端加速向前擴展。

由以上分析可知，氫致應力腐蝕開裂是氫脆和應力腐蝕協調作用的結果，奧氏體不銹鋼壓力管道氫致應力腐蝕開裂敏感性取決于管道內壁氫的有效性、氫在金屬及縫隙中的遷移率及氫在缺陷尖端的分布等因素。

1.2“滑移G溶解G斷裂”模型

在介質氧化作用下，奧氏體不銹鋼壓力管道管壁覆蓋著一層耐腐蝕的鈍化膜，在拉應力作用下，位錯沿著滑移面運動至管壁表面，從而產生滑移臺階，導致鈍化膜局部斷裂而出現裸露金屬區域，這樣有膜與無膜的區域就形成了微電池腐蝕。由于輸送腐蝕介質的作用，裸露金屬區域產生陽極溶解。鈍化膜不僅給應力腐蝕過程提供陰極，還使陽極溶解集中在很小的裸露金屬縫隙區域。因此，鈍化膜破裂后，若裸露金屬區域一直處于活化狀態，則腐蝕必然會導致應力集中，即裂紋尖端的出現，而拉應力的作用則極大地加速了應力集中區域的溶解，促進應力腐蝕區快速縱向延伸，而橫向（與拉應力平行）區域腐蝕則很慢甚至發生再鈍化。

2奧氏體不銹鋼壓力管道應力腐蝕開裂的影響因素

2.1應力的影響

應力腐蝕開裂是拉應力和特定腐蝕介質長期共存時引起的腐蝕破壞，該拉應力可以是外加拉應力，也可以是金屬內部殘余拉應力。奧氏體不銹鋼壓力管道在機械載荷？熱負荷等的作用下，整個管道或某些局部區域，如焊縫或熱影響區會產生不同的應力。按應力的來源不同，可將奧氏體不銹鋼壓力管道的應力分為一次應力？二次應力和峰值應力，其中一次應力是外載荷作用下管道內部產生的正應力或剪切應力，二次應力是管道形變受約束而產生的正應力或剪切應力，峰值應力是管道在載荷及結構形狀的局部突變時引起的局部應力集中。該3種應力所產生的拉應力若在管道中長期存在，就會導致應力腐蝕開裂的產生。焊接、冷加工變形及安裝不當是殘余拉應力的主要來源，當奧氏體不銹鋼壓力管道管壁存儲的拉應力接近材料屈服強度時，管道應力腐蝕開裂的速率會非常快。

2.2輸送介質腐蝕性能的影響

輸送介質對奧氏體不銹鋼壓力管道的特定腐蝕性是其產生應力腐蝕開裂的前提條件之一，引起奧氏體不銹鋼應力腐蝕的常見腐蝕性介質可分為以下幾方面：各種鹵化物和含鹵離子（如Cl-、F-等）的工業溶液和氣體，如HCl溶液、NaCl溶液、氫氟酸、氟硅酸等;含Cl-的水溶液及水蒸氣，如鹽水、海水、河水及海洋大氣等;堿性溶液，如NaOH，KOH等強堿溶液;含NO-3的溶液及氣體，如HNO3溶液、硝酸鹽等;含S2-，SO2-4，SO2-3及Sx O2-6等離子的酸性氣體或溶液，如H2S溶液、H2SO4溶液及硫酸鹽溶液等。

2.3運行溫度的影響

溫度對奧氏體不銹鋼壓力管道的應力腐蝕開裂主要起促進和增速作用。溫度越高，介質中的離子運動越劇烈，導致應力腐蝕開裂加速。另外，由于碳？氮等元素導致奧氏體不銹鋼具有低溫韌脆轉變特性，因此溫度較低時，雖然應力腐蝕速率變低，但在應力腐蝕過程中更容易使奧氏體不銹鋼壓力管道發生脆性斷裂。

2.4氫元素的影響

由氫致應力腐蝕開裂機理可知，氫降低了鈍化膜的穩定性，使應力腐蝕過程中的陽極溶解加速，因此氫元素能促進奧氏體不銹鋼壓力管道的應力腐蝕開裂。大量試驗及工業事故證實，輸送介質的pH越低，奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂就越快。

3奧氏體不銹鋼壓力管道應力腐蝕開裂的預防

3.1合理選用材料及焊條

要預防奧氏體不銹鋼壓力管道的應力腐蝕開裂，管道材料和相應的焊條選擇相當重要。實踐及研究均表明，奧氏體不銹鋼的耐應力腐蝕是有條件的。因此需要綜合考慮化工運行系統、壓力管道的使用環境及輸送介質成分等多種因素合理選擇奧氏體不銹鋼的成分。提高鉻、鎳等鈍化元素的含量對增強奧氏體不銹鋼耐應力腐蝕性能是相當有益的。壓力管道傳輸的介質中，含Cl-的溶液或氣體介質占很大比例，對奧氏體不銹鋼壓力管道應力腐蝕開裂事故進行統計發現，由氯化物引起的事故超過80%，因此優先考慮耐氯化物應力腐蝕的材料是必要的。

3.2優化焊接工藝

焊接過程中焊縫及熱影響區加熱和冷卻不均勻，從而導致焊縫及熱影響區儲藏了大量的殘余應力，這是奧氏體不銹鋼壓力管道焊縫產生應力腐蝕開裂的根本原因。基于奧氏體不銹鋼焊接的特殊性，在合理選用焊條的同時，還要優化焊接工藝，采用合理的焊接順序和參數，使焊縫及熱影響區的殘余拉應力降到最低，如焊接時采用小線流量的焊接參數，防止熱影響區過熱。

3.3避免產生應力集中部位

應力集中部位一般是奧氏體不銹鋼壓力管道應力腐蝕開裂的起點，因此在安裝過程中應盡量避免產生應力集中部位，如避免強制性安裝，防止組裝過程中造成劃痕和灼痕。在焊接過程中應避免出現咬邊、焊瘤、未焊透、未熔合、裂紋等易產生應力集中的缺陷。

3.4改變介質成分以減弱腐蝕

輸送介質的腐蝕性是奧氏體不銹鋼壓力管道產生應力腐蝕開裂的前提條件之一，因此可以采用降低其腐蝕性的方法以延緩管道應力腐蝕開裂速率。常用的方法有在工藝允許的條件下降低輸送介質中腐蝕性離子（如Cl-）的含量、添加緩蝕劑等。

4 結束語

在化工領域，輸送腐蝕性介質的壓力管道常用的材料為奧氏體不銹鋼，而應力腐蝕開裂是奧氏體不銹鋼壓力管道最主要的失效方式。上文主要對奧氏體不銹鋼壓力管道應力腐蝕開裂的機理？主要影響因素及預防措施進行了分析討論。

參考文獻：

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[2]顧寶蘭，張雪濤，徐彤，45鋼電機軸斷裂分析[J].理化檢驗物理分冊，2013，49（5）：327-329.

（作者單位：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院）