壓力容器和壓力管道應力腐蝕開裂機理及影響因素分析

夏源

摘? ?要：SCC是指一些材質在應力承受中因內外部環境的壓力腐蝕而產生的裂紋。SCC所造成的裂紋具有脆性斷口形貌，且多發生于一些高韌性的材料中。SCC是壓力容器和壓力管道失效的主要模式之一，對工業生產具有一定的負面影響。文章以應力腐蝕開裂的特征和影響因素為基礎，提出一些相應的防護措施。

關鍵詞：壓力容器;壓力管道;應力腐蝕開裂;影響因素

從廣義上理解，壓力管道就是保護管內介質，承受來自內外壓力的管道，而壓力容器就是在承受壓力的狀況下將氣體或液體密閉封存的容器。壓力管道和壓力容器是承受壓力的器皿，目前在我國工業生產中已經被推廣和應用。應力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）是對這兩種承壓設備危害最大的失效模式。在腐蝕環境中，對設備或容器的侵蝕程度超過40%，對于一些不銹鋼材質的容器，其侵蝕比例甚至能達到55%。在對壓力管道和壓力容器的腐蝕檢測工作中，主要通過目視檢查、內鏡檢查等來測驗設備內腐蝕程度、腐蝕局部等。但SCC很難以常規的檢驗方式監測到，這是由于SCC的形成缺少事先預兆，往往都是突發性的低壓力破壞，給工業生產帶來嚴重的安全威脅。當然，低壓容器與低壓管道在實際操作中有相應的規范指導，例如《固定式壓力容器技術監察規程》等，針對壓力設備的檢驗周期進行了明確規定。為了保證工業行業的安全管理，加強對壓力容器和壓力管道產生SCC現象的有效預防，是各項設備安全運行的有效路徑。

1? ? 應力腐蝕開裂的基本特征與影響因素

SCC的發生與形成需要在一定的環境、應力和材料條件下，通常情況下，SCC形成的流程主要為：在材料表面上形成的介質以及鈍化膜等物質，在拉力與破壞作用下造成物質產生裂紋或破裂，而裂紋隨著時間推移會向設備內部進行擴張，形成穿透性裂紋。SCC形成的基本特征主要表現在以下6方面：（1）合金設備更容易產生應力腐蝕。（2）殘余應力和外加應力是形成腐蝕的必要條件。（3）應力腐蝕是在特定環境下形成的。（4）應力腐蝕開裂是脆性開裂。（5）在一定的溫度條件下。（6）應力腐蝕斷裂與外部環境和應力大小相關聯。具體時間短則幾分鐘，長則幾年，一般裂紋分為成核和擴展這兩個過程。SCC現象如圖1所示。

大多數合金都會遇到應力腐蝕，但合金的腐蝕與特定的環境有一定的聯系。影響應力腐蝕的基本因素主要表現為以下幾個方面。

1.1? 產生SCC的應力

以SCC的拉伸應力中殘余壓力為例進行分析，通常情況下，僅殘余應力就能夠產生應力腐蝕現象。殘余應力在生產制造與裝備過程中都有產生的概率，例如：因后續的熱處理工作失效、螺紋連接配合過盈、設備結構設計不合理等因素使得殘余壓力增加。同時，加熱不均勻以及熱梯度的產生也是造成殘余壓力增加的主要因素。比如在5%～10%的低應力水平下，就會產生SCC現象[1]。

1.2? 應力集中

SCC的產生需要有效的應力集中源，這也是產生表面裂紋缺陷有效因素。當然，引起材質裂紋的原因有很多，包括因操作不當或工序缺陷而產生的裂紋、機械加工過程中的損傷、加熱處理過程中和焊接過程中產生的裂紋等。一些材料或設備從表面上看并沒有裂紋，但實際因氧化膜的覆蓋很難發現裂紋。

1.3? 腐蝕環境

通常情況下，腐蝕環境與腐蝕劑和溫度有很大的關聯。像硫化氫、無水液氨、氯化鈉溶液、熱濃堿等腐蝕劑，會使得一些不銹鋼、碳鋼或低合金鋼等材料產生應力腐蝕作用。腐蝕劑在液體中往往是以微量分子和特定離子存在的，例如一些不銹鋼材質的設備形成SCC現象，需要由超過百萬的氯化分子組成。也就是說，腐蝕劑濃度的高低決定了腐蝕程度。從溫度層面來說，腐蝕開裂程度隨著設備所處溫度升高而升高，除此之外，像鎂合金、鋁合金一類的材料在常溫下也會產生SCC現象。但是通常情況下，SCC產生所需的溫度在120 ℃以下，如：像不銹鋼一類的材料，除一些材質較為特殊的材料，一般需要50 ℃以上的高溫才可能產生SCC[2]。

2? ? 壓力容器和壓力管道控制應力腐蝕開裂的有效對策

首先，應力集中是SCC產生的主要原因之一，因此在設備設計、制造過程中，要注意各個零部件的焊接，既要防止零部件不連續和凸起的問題，還要減少表面擦傷和裂紋缺陷。其次，焊縫也是引起SCC的有效因素，因此相關制造商要設置合理的焊接工序，實現焊接各環節的整合，保證焊接表面的光滑與平整，焊接后進行有效的熱處理，尤其要減少鉚接與螺栓之間的縫隙。最后，在生產與設計過程中要注意腐蝕點的產生，采用合理的設計結構，避免裝配應力的形成。此外，對受到震動影響較大的部位盡量避免采用鉚接連接，將橫斷面保護起來，減少流線外露，才能夠達到抗腐蝕的目的，從而降低應力腐蝕的發生概率。

3? ? 結語

綜上所述，壓力管道和壓力容器在生產和應用過程中很容易遭到應力腐蝕，從而給工業生產活動帶來一定的負面影響。所以，相關工作人員或設備制造商要深入認識應力腐蝕產生的有效因素，從壓力容器和壓力管道的設計制造工作入手，并采取有效的防范措施。

[參考文獻]

[1]羅匯果.壓力容器和壓力管道應力腐蝕開裂機理及影響因素分析[J].廣東化工，2017（6）：147-149.

[2]王帥.壓力容器應力腐蝕發生因素及控制措施[J].中國高新區，2017（6）：111.