壓力容器在設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)力腐蝕開裂的規(guī)避分析

摘 要：在分析壓力容器設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象規(guī)避問題時(shí)，必須對應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入探討。本文圍繞應(yīng)力腐蝕開裂的特點(diǎn)、影響因素及裂紋的主要形態(tài)進(jìn)行了介紹，提出避免應(yīng)力集中在壓力容器的同一位置、重視對殘余應(yīng)力的處理工作等規(guī)避應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的有效方式，以供參考。

關(guān)鍵詞：壓力容器;制造過程;應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象;同一位置

壓力容器是指盛裝氣體或液體，能夠承載一定壓力的密閉設(shè)備。一般來說，壓力容器的制造工序可以分為原材料驗(yàn)收、切割、除銹、機(jī)加工（包含刨邊等）、焊接、無損、熱處理、防腐等工序。其中，由于應(yīng)力處理不當(dāng)而引發(fā)的壓力容器腐蝕開裂現(xiàn)象必須予以重視，否則將會(huì)給后續(xù)使用帶來不便甚至引發(fā)重大事故。

1.壓力容器在設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)力腐蝕開裂的特性及產(chǎn)生原因

1.1應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的特性分析

應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象是指在拉應(yīng)力的作用下，金屬在腐蝕介質(zhì)中引發(fā)的破壞。此種腐蝕通常穿過晶粒，即所謂穿晶腐蝕。應(yīng)力腐蝕由殘余或外加應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變和腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生的材料破壞過程。應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致材料的斷裂稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。一般來說，壓力容器設(shè)計(jì)制造過程中，應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的特性如下：

第一，相對于單一金屬材質(zhì)，合金材料容器更容易在拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象;

第二，拉應(yīng)力并不是固定的，設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮參與應(yīng)力、外部施加的應(yīng)力等;

第三，應(yīng)力腐蝕環(huán)境相對固定，故進(jìn)行處理時(shí)可以充分運(yùn)用此項(xiàng)原理;

第四，應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，壓力容器呈現(xiàn)出的主要特點(diǎn)為“脆性”，即容器的性能將會(huì)大受影響;

第五，應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象必須在外部溫度達(dá)到一定高度之后才會(huì)產(chǎn)生;

第六，常見的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象分為“裂紋”和“成核”兩種，根據(jù)周邊環(huán)境、施加應(yīng)力的大小，應(yīng)力腐蝕開裂過程的持續(xù)時(shí)間從幾分鐘到幾年均有可能。

第七，應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象產(chǎn)生的裂紋普遍為沿晶或穿晶形態(tài)。通常情況下，如果壓力容器使用的合金材料屬于同一類別，則裂紋的形式、形態(tài)基本一致[1]。

1.2引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因

引發(fā)壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因如下：

第一，應(yīng)力腐蝕拉應(yīng)力。此處的拉應(yīng)力并非單一、壓力容器設(shè)計(jì)制造必備的拉應(yīng)力，而是指工程應(yīng)力、殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力三者疊加之下產(chǎn)生的綜合性應(yīng)力。總體來說，如果設(shè)計(jì)制造過程中殘余應(yīng)力無法得到有效控制，僅靠此種應(yīng)力即會(huì)引發(fā)腐蝕開裂現(xiàn)象。

第二，壓力容器設(shè)計(jì)制造的過程中出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的必要條件在于：出現(xiàn)了應(yīng)力集中源（一般是指表面的裂紋、裂紋缺陷等）。當(dāng)殘余應(yīng)力或其他腐蝕介質(zhì)作用于應(yīng)力集中源時(shí)，裂紋必然由小變大，最終開裂。

第三，腐蝕劑濃度配比出現(xiàn)問題，沒有注重溫度控制、金屬純度不足等均會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。

2.壓力容器在設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)力腐蝕開裂的有效規(guī)避方式

2.1避免應(yīng)力集中出現(xiàn)在同一位置

如上文所述，如果應(yīng)力過于集中，壓力容器表面某處將會(huì)因?yàn)闊o法承受而出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而形成開裂。然而殘余應(yīng)力在壓力容器設(shè)計(jì)制造過程中極為常見，無論是焊接、扭轉(zhuǎn)，還是沖壓、過載螺紋連接等過程中，均會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。不僅如此，如果設(shè)計(jì)制造過程中的溫度提升速度無法得到良好控制，在“驟然”變化的過程中，也會(huì)生產(chǎn)殘余應(yīng)力。基于此，可以從以下方面著手，盡量避免出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的情況：

首先，焊接、螺栓連接等作業(yè)環(huán)節(jié)極易產(chǎn)生縫隙，由此導(dǎo)致應(yīng)力無法“均勻”作用于壓力容器表面，故而按照嚴(yán)格的操作、檢查標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行有關(guān)作業(yè)，消除裂縫，能夠起到一定的作用。

其次，壓力容器表面容易受到腐蝕而形成“小坑”。當(dāng)殘余應(yīng)力等“流經(jīng)”時(shí)，容易在此類區(qū)域集中，進(jìn)而在雙重壓力的作用下，產(chǎn)生裂紋，并縱向延伸，導(dǎo)致開裂。因此，必須防備壓力容器表面單一點(diǎn)位遭受腐蝕。

再次，與單一點(diǎn)位遭受腐蝕而形成“小坑”相類似，如果單一點(diǎn)位受到應(yīng)力的集中“擠壓”，也會(huì)使該位置出現(xiàn)破損，進(jìn)而生成應(yīng)力集中源，最終導(dǎo)致開裂。故而在設(shè)計(jì)制造時(shí)（特別是安裝過程），應(yīng)該避免裝配應(yīng)力對壓力容器表面造成破壞，需要“輕拿輕放”。

最后，一些大型壓力容器的某些部位（如接合部位等）震動(dòng)頻率較高，如果連接的穩(wěn)固程度不足，也可能造成容器表面出現(xiàn)應(yīng)力集中源。針對此種情況，接合部位需要采用相對穩(wěn)固的連接方式（相比之下，鉚接方式的穩(wěn)固性較差，故而在設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)該盡量避免采用此種方式）。此外，一些鍛件的斷面（橫截面）必須受到嚴(yán)密保護(hù)，不可使其直接暴露在環(huán)境中。進(jìn)行模鍛件制造安裝時(shí)，需要注意流線保護(hù)，同樣避免暴露[2]。

2.2重視對殘余應(yīng)力的處理工作

殘余應(yīng)力是造成壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的主因且很容易產(chǎn)生，故而從源頭出發(fā)，重視對殘余應(yīng)力的處理工作，及時(shí)調(diào)整或?qū)⒅耆呐聣毫θ萜鞅砻娉霈F(xiàn)了應(yīng)力集中源，也不會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的后果。目前，常見的處理方式如下：第一，采用熱處理方式，能夠直接消除殘余應(yīng)力。前文提到，壓力容器的制造材質(zhì)多為金屬材料，可以將設(shè)備或是需要用到的零部件放置于高溫環(huán)境下，持續(xù)時(shí)長可以是幾天，也可以是幾個(gè)小時(shí);之后進(jìn)行緩慢冷卻。在此過程中，殘余應(yīng)力將會(huì)消失殆盡。需要注意的是，金屬材料也會(huì)受到溫度的影響，如果未能注意，金屬的性能將會(huì)受到影響（如軟化等）。因此，處理過程必須嚴(yán)謹(jǐn)，避免顧此失彼。第二，在壓力容器或零部件的表面，通過振動(dòng)、噴丸等方式，使殘余應(yīng)力逐漸降低。此種處理過程還可以將殘余的“拉應(yīng)力”轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗟摹皦簯?yīng)力”，目的在于提升材料抵抗應(yīng)力腐蝕的能力，進(jìn)而從另一個(gè)角度解決應(yīng)力腐蝕開裂問題。

3.結(jié)語

壓力容器及一些零部件遭受應(yīng)力時(shí)，很容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。如果投入應(yīng)用后，因?yàn)閼?yīng)力腐蝕原因?qū)е麓嬗形ｋU(xiǎn)品的壓力容器損壞，很可能引發(fā)危險(xiǎn)品泄漏甚至爆炸等重大安全事故。因此，壓力容器設(shè)計(jì)制造過程中，設(shè)計(jì)人員和制造單位必須時(shí)刻小心謹(jǐn)慎、高度負(fù)責(zé)，嚴(yán)格執(zhí)行每項(xiàng)程序，避免開裂現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]董蓓蓓.壓力容器制造與維修中常見問題的解決對策[J].化工管理，2020（15）：134-135.

[2]趙子亮.壓力容器設(shè)計(jì)存在的問題及解決措施[J].化工管理，2020（10）：194-195.

作者簡介：

劉文麗（1982—），女，漢族，天津，中級，本科，主要研究壓力容器方向。