石油化工靜設備應力腐蝕開裂成因與防護措施

曹春紅

（中安聯合煤化有限責任公司煤化工分公司，江蘇 淮安 223000）

機械設備的破壞中，應力及腐蝕損壞占很大的比重，尤其是石油化工領域內，腐蝕破壞的比例甚至可超過50%，這其中便有因石油化工的工作環境的特殊性的因素加成。日本也對國內的腐蝕損壞進行了調查統計，發現其中應力腐蝕損壞在17 年全年設備腐蝕損壞的比例達到了42.2%。由此可見，應力腐蝕破壞在機械設備尤其是石油化工中的損壞比例達到了很大的比例。由此可見，石油化工設備中，對設備腐蝕應力損壞的預防，也應提到一個較為重要的地位，本文對石油化工設備中的應力腐蝕損壞的機理進行了基本分析，在對設備分析中應避免出現這種情況。

1 應力腐蝕開裂的定義

應力開裂是材料微觀變形中的一種方式，而其中的應力腐蝕是因金屬材料或其他合金材料在具有腐蝕性物質存在的情況下，該物質對金屬材料內部原子間具有一定的作用，使得該原子周圍的電子丟失，進而使得金屬物質的原子結合力大幅度降低，隨著拉力的增大，最終使得金屬物質發生斷裂等宏觀形變，稱此變形為應力腐蝕變形。

應力腐蝕斷裂在宏觀變形上一般表現為脆性斷裂，一般形變是沿著材料晶界進行斷裂變形，若材料具有拉應力作用，也有其他具有腐蝕性物質存在于晶界間，同時，金屬材料可被腐蝕性物質腐蝕，便可發生材料應力腐蝕變形。

2 石油化工靜設備的特殊工況

應力腐蝕開裂在石油化工行業具有較高的占比，主要有以下三個原因：首先，石油化工靜設備通常在高溫高壓高腐蝕環境下工作；其次，石油化工設備由金屬進行制備，或者合金制備，可發生一定的電化學反應；最后，石油化工靜設備在制造和使用過程中易產生拉應力。

3 石油化工靜設備應力腐蝕開裂成因

3.1 存在拉應力

石油化工設備在制造及工作的過程中，總是會存在拉應力，因此，對設備會造成一定的損害。一般而言，對設備具有拉應力或者存在拉應力的有兩種，一種是設備在制造過程中存在的殘余應力，加工過程總是會存在著殘余應力。第二種是設備加工完成后存在的工作應力，其由外界提供或者設備運行過程中的自身運動拉力。殘余應力引起的設備安全事故一般可占據到應力破壞的總占比有80%，而加工應力或者說外界應力引起的事故占據了另外的20%，理應引起我們的重視。

當然，我們對殘余應力進行分析可知，設備中殘余應力主要是設備焊接應力，除此之外，還有設備組裝過程中由外界荷載或者溫度變化引起的其他應力，也會對設備產生較為嚴重的影響。

3.2 特定的金屬或合金成分

石油化工設備在使用過程中，其環境中存在著高溫、濕潤及富含其他化學物質，極易發生腐蝕損壞，故而對化工設備的制造材料具有較高的要求，除了低合金高強度鋼、碳素鋼等材料外，還包括不銹鋼等材料，并可以加入其他微量元素，使得材料抗腐蝕能力增強。

3.3 改變腐蝕環境

由于石油化工設備使用的環境的特殊性，其極易發生腐蝕損壞，原油于管道中流動時，會給管道創造一個高溫、濕潤且具有腐蝕性物質的環境，因此，使得管道容易發生化學反應，造成管道內腐蝕應力升高，增加其破壞變形的概率，基于此背景進行考慮，可采取以下幾種方法降低其應力腐蝕強度。

（1）保持材料表面清潔。注意防止腐蝕介質濃縮，這需要在外包之前對罐體進行清潔處理，例如，采用高壓水洗去除污垢等。

（2）使得罐體處于干燥狀態。罐體中水的存在可使的罐體與其他腐蝕性物質或者空氣發生電化學反應，罐體因此而處于腐蝕應力較大的狀態，基于此，在罐體冷卻及運輸過程中，應保持罐體的干凈，清潔。當然，這也是目前所面臨的一大問題。

（3）使管道所處環境中腐蝕性物質的濃度處于較低的狀態。具有腐蝕性的環境中，含有較高的氯離子等酸性離子，因此，可通過降低腐蝕性介質中的這些酸性離子而使得介質的腐蝕性降低。不同材料可發生腐蝕破壞的酸性離子含量不同，一般而言，像316L 不銹鋼在130℃溫度環境中，發生腐蝕性破壞的氯離子含量為10%，2205 雙相鋼在相同溫度下時，其發生腐蝕反應的氯離子含量卻為5%。由此可見，不同材料所能承受腐蝕損壞的酸性離子含量具有不同的數值。

（4）可使用一種脫氧劑來減緩或者避免管道材料腐蝕。金屬材料在發生腐蝕破壞的過程中，會發生電化學反應，而氧氣的存在，會大幅使得腐蝕效率提高，基于此背景，可使用一種脫氧劑，將環境中的氧氣含量降到盡可能低的程度，避免其發生電化學反應，一般可在管道表面涂油漆將金屬與空氣進行隔絕。

（5）添加減緩腐蝕劑。管道材料在使用過程中，因為存在著一定的腐蝕劑，使得材料腐蝕性大幅提高，因此，可以添加一些化學物質作為緩腐蝕劑，將腐蝕效率大幅降低。

4 應力腐蝕開裂的防護

在石油化工領域，應力腐蝕使得管道材料損害較大，減少設備的使用壽命，造成較為嚴重的后果，因此，采取一定的措施將設備的腐蝕應力降低很有必要。

4.1 合理選材優化設計結構

材料根據其構成原子外層電子的活潑性，具有不同程度的反應強度，因此，針對管道設備的不同使用環境，可使用不同的材料進行石油化工設備的制造，便可較大程度地增加材料及設備的抗腐蝕性。如在含有大量酸性離子的液體中，應避免使用鋼材類等制備設備，也可以較大程度的降低設備的腐蝕應力，減少設備發生損害的概率。

4.2 文明施工控制殘余應力

對于機械設備而言，其加工制造過程中會產生殘余應力之外，安裝過程也會產生誤差，并導致應力的產生。在設備安裝時，焊接是一個必不可少的步驟，而焊接應力也會對設備的使用壽命有著很大的影響。一般可使用熱處理工藝，如，正火、退火等方式來消除設備的殘余應力。

（1）組裝過程的質量控制。因為設備安裝過程中會產生較大的安裝應力，造成石油化工設備使用壽命降低的很重要的因素，因此，在設備安裝過程中，按照安裝技術規范來安裝設備，嚴格控制安裝質量，將安裝誤差降到最低，設備的應力破壞也會因此降到最低。

（2）焊接過程的質量控制。石油化工設備的應力與設備材料有關，也與設備安裝應力有關，設備的安裝過程一般伴隨著焊接過程。如果在設備制造過程中，只是注重于設備材料的選擇，而忽視設備安裝過程的應力控制，尤其是焊接過程的應力控制，也會造成很嚴重的后果。一般而言，焊接過程中應視所焊接母材的不同選擇不同的焊接材料。在焊接時，應制定合理的工藝流程，控制材料晶粒顆粒的大小，也可避免應力集中。

4.3 石油化工設備日常使用中的維護

設備的使用壽命，除了和其制造、安裝過程有關系外，設備在后續的生產過程中，需要按照制定的操作規范來對設備進行管理維護，這也是對設備進行管理的最后一道工序，可以通過以下幾點來進行維護：

根據設備的實際工況進行設備的維護和保修，使得設備應在其額定工作電壓、適當溫度以及其他規定的技術要求方面進行維護，也應減少設備非正常操作時間，使得設備可正常運行。

針對設備的運行情況及技術情況，制定較為符合且全面的設備檢查項目，尤其是針對設備中具有較為危險的部件進行重點檢查，及時發現設備運行過程中的不安全因素，從而避免造成較大的損失。

在設備檢修過程中，要根據施工要求進行文明施工，從而避免不必要的二次損傷，檢查完畢后，可對設備進行必要的修復。

5 結語

應力腐蝕開裂在石油化工靜設備在安裝使用、設計制造、日常維護的整個使用周期中，較為普遍的存在著。這些條件的互相作用，促成了石油化工靜設備應力腐蝕開裂的發生，是應力腐蝕開裂在石油化工靜設備腐蝕破壞中占比最高的原因，同時，對于石油化工靜設備的應力腐蝕開裂破壞，應高度重視，從設備設計、制造、安裝到使用等各個環節嚴格按照標準規范施工，進而減少因應力腐蝕破壞造成的損失。