壓力容器在環境介質作用下的斷裂

惠勝 宋振廷

1、摘要

壓力容器總是在一定環境介質中工作。環境對材料的力學性能往往有著重要的影響。有時腐蝕性很弱的介質，像水、潮濕空氣也能起很大的作用。介質與應力的協同作用，常比他們的單獨作用或者二者簡單地疊加更為嚴重。應力與化學介質協同作用引起材料力學性能下降，甚至發生提早斷裂的現象，稱為材料的環境敏感斷裂。

壓力容器在使用過程中的受力是多種多樣的，入拉伸應力、交變應力、摩擦力、振動力等。不同狀態的應力與介質的協同作用所造成的環境敏感斷裂形式各不相同，據此可以將它們分為應力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞、磨損腐蝕和微動腐蝕等等。在靜載荷作用下的環境敏感斷裂有應力腐蝕斷裂和氫脆斷裂。從破壞機理來看，應力腐蝕斷裂可能是裂紋尖端陽極溶解引起的，也可能是陰極反應產生的氫進入金屬引起的。氫可以導致材料的其他形式破壞，如氫鼓泡、氫腐蝕等等。為了說明氫的作用，由氫造成的材料性能的蛻變，統稱為氫損傷或廣義氫脆。在交變載荷作用下的環境敏感斷裂，稱之為腐蝕疲勞。

2、應力腐蝕斷裂的基本條件及形貌特征

材料在靜應力和腐蝕介質共同作用下發生的脆性斷裂稱為應力腐蝕斷裂。通常應力腐蝕斷裂所需的應力是很小的。假如不是處于特定的腐蝕介質中，這樣小的應力是不可能使材料發生斷裂的。反之，如果沒有應力存在，則材料在這種環境介質中所受的腐蝕也是輕微的[1]。

應力腐蝕有三個基本特征：

（1）必須有應力，特別是拉伸應力的作用。拉伸應力愈大，斷裂所需的時機愈短。斷裂所需的應力，一般都遠遠低于材料的屈服強度。壓力容器的應力大致分為4種：

1.作用應力，即壓力容器的設備和部件在工作環境中所受的外部載荷;

2.殘余應力，即壓力容器在生產和設備制造過程中在材料內部產生的應力;

3.熱應力，即溫度不均勻而產生的應力集中;

4.結構應力，即壓力容器在安裝和裝配過程中引起的應力。

而壓力容器在制造過加工，以及使用過程中的操作工藝、使用條件和設備結構都會產出一定的應力，其中焊接過程所產生的焊接殘余應力是不可避免的，會使壓力容器引起局部腐蝕，加速應力腐蝕斷裂，是壓力容器產生泄露甚至爆炸事故。

（2）對于一定成分的合金，只有在特定介質中才能發生應力腐蝕斷裂。如奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中具有很高的應力腐蝕斷裂敏感性，而鐵素體不銹鋼對此卻不敏感。常用金屬材料產生應力腐蝕斷裂的環境介質組合如表2-1。

大多數壓力容器在敏感環境介質的環境中運行，跟容易產生應力腐蝕，減短了它們的使用壽命。

（3）應力腐蝕斷裂斷口一般屬于脆斷型。應力腐蝕通常只有一條主裂紋，但形成多分支裂紋可以是沿晶屆擴展的，也可以是穿晶型，甚至兼有兩種形式的混合型。如圖2-2。

3應力腐蝕的控制。

壓力容器應力腐蝕斷裂發生非常緩和的介質和不大的應力狀態下，而且往往事先沒有明顯的預兆，因此常造成災難性的事故。而應力腐蝕斷裂是材料與環境介質、力學因素等三個方面協同作用的結果，預防和降低合金應力腐蝕斷裂的傾向，也應當從這三個方面采取措施。

（1）改善條件：這可從兩方面考慮，一方面設法消除或減少促進應力腐蝕斷裂的有害化學物質，例如通過水凈化處理，降低冷卻水與蒸汽水中的氯離子，對于防止奧氏體不繡鋼的氫脆十分有效;另一方面在某些環境介質中加入適當的緩沖劑，能有效地防止應力腐蝕斷裂，例如防止鍋爐鋼的堿脆，可采用硝酸鹽或亞硫酸鹽紙漿作緩蝕劑。

（2）降低或消除零件內的殘余拉應力：設計上盡量減少構件的應力集中效應;熱加工工藝應盡量避免造成構件各部分物理狀態的不均勻性，必要時應采用退火處理消除加工應力。例如奧氏體不繡鋼焊接后采用退火工藝消除殘余應力，可以防止奧氏體不繡鋼的應力腐蝕;焊接時選用合適的焊接工藝和順序，使熱影響區溫度均勻，殘余應力小;采用適宜的機械處理方法，如噴丸處理造成壓應力。

（3）合理選用材料及冶金因素的控制：根據材料工作情況及環境介質合理選材。例如在使用不繡鋼時，為防止奧氏體不繡鋼的點蝕，應選用含鉬的不繡鋼。

（4）采用電化學保護：由于有些材料只有在特定的電位范圍內才會發生應力腐蝕斷裂，因此可采用電化學保護法來控制應力腐蝕斷裂。但是對氫脆敏感的材料，則不能采用陰極保護法。

4結束語

壓力容器應力腐蝕開裂在使用過程中存在極大地安全隱患，不容忽視。只有弄清壓力容器破壞原因，對腐蝕進行分析，采取有效地防止措施，就可以減緩或抑制腐蝕破壞，確保設備的安全運行。

雖然在應力容器中應力腐蝕斷裂問題可以從上述多種途徑加以防治，但是由于引起壓力容器腐蝕斷裂的應力80%是加工應力，對于壓力容器的制造和使用過程中，這些殘余應力很難通過熱處理方法消除應力，因此降低應力的方法受到了很大的限制。而在使用過程中了，為了滿足化工要求，環境介質條件很難改變，如水中的氯離子問題，一方面水處理去除氯離子需要的成本高;另一方面，即使水中的氯離子含量降到很低，仍存在濃縮積聚的問題，因此控制腐蝕介質也受到了很大限制。由于在壓力容器中分布極板極為困難，電化學保護法很少使用。因此在制造壓力容器過程中選擇具有耐腐蝕應力的金屬材料，合理設計壓力容器的結構，嚴格控制制造加工工藝，盡可能的避免壓力容器的應力腐蝕開裂[2]。

參考文獻：

[1] 左景伊編，應力腐蝕斷裂，西安：西安交通大學出版社，1985

[2] 劉建洲，奧氏體不繡鋼應力腐蝕及防護，石油化工設備技術，2010