壓力容器氯化物應(yīng)力腐蝕開裂檢驗(yàn)策略探討

摘要：氯化物應(yīng)力腐蝕開裂是奧氏體不銹鋼最主要也是危害最大的一種損傷模式，本文從基于奧氏體不銹鋼損傷機(jī)理及影響因素角度出發(fā)，闡述該種損傷模式的檢驗(yàn)重點(diǎn)及檢測(cè)方法，對(duì)在用奧氏體不銹鋼制壓力容器的檢驗(yàn)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵字：壓力容器;奧氏體不銹鋼;氯化物應(yīng)力腐蝕開裂

Abstract：Chloride stress corrosion cracking is the most important and harmful damage mode of austenitic stainless steel. Based on the damage mechanism and influencing factors of austenitic stainless steel， this paper expounds the inspection focus and detection method of this damage mode， which has a certain reference value for the inspection of austenitic stainless steel pressure vessels in use.

Key words：Pressure vessel;austenitic stainless steel;Chloride Stress Corrosion Cracking

引言

奧氏體不銹鋼具有良好的綜合力學(xué)性能和加工性能，同時(shí)具有良好的耐腐蝕及耐高溫性能，隨著我國(guó)煉油煉化行業(yè)的高速發(fā)展，奧氏體不銹鋼在壓力容器制造中的應(yīng)用越來越廣泛，同時(shí)伴隨著奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備失效的案例也越來越多。隨著我國(guó)檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)的不斷成熟，基于損傷模式制定相應(yīng)檢驗(yàn)策略得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。本文基于氯化物應(yīng)力腐蝕開裂損傷機(jī)理及影響因素，展開討論了如何制定相應(yīng)的檢驗(yàn)策略及檢測(cè)方法。

1氯化物應(yīng)力腐蝕開裂理論

1.1氯化物應(yīng)力腐蝕開裂損傷機(jī)理

處于氯化物水溶液環(huán)境中的奧氏體不銹鋼在拉應(yīng)力、溫度和氯化物水溶液的共同作用下會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，是奧氏體不銹鋼最常見也是危害最大的一種損傷模式，因其沒有明顯的腐蝕減薄，在發(fā)生失效前這種損傷模式不易被發(fā)現(xiàn)。在特定情況下從裂紋起源開始到貫穿性泄漏的時(shí)間很短。現(xiàn)在普遍接受的奧氏體不銹鋼發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕陽極溶解機(jī)理至少包括四個(gè)過程：1、在拉應(yīng)力作用下，位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動(dòng)，在金屬表面產(chǎn)生滑移臺(tái)階，表面膜產(chǎn)生局部破裂，露出活潑的“新鮮”金屬;2、在有膜、無膜金屬或缺陷處形成鈍化-活化微電池;3、伴隨陽極溶解產(chǎn)生陽極極化，使陽極周圍鈍化，在蝕坑及裂紋尖端周邊重新生成鈍化膜;4、隨后在拉應(yīng)力作用下，造成蝕坑底部的裂紋尖端處應(yīng)力集中，使鈍化膜再次破裂，形成新的活性陽極區(qū)。上述過程如此反復(fù)最終造成裂紋。

1.2發(fā)生應(yīng)力腐蝕的基本條件

發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕的基本條件：1.發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕的敏感材料，其中合金元素鎳決定了發(fā)生的敏感性，其含量在8～10%的范圍內(nèi)，更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂;2、造成開裂的拉應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力及冷加工殘余應(yīng)力和運(yùn)行工況下的循環(huán)應(yīng)力都是拉應(yīng)力的來源，當(dāng)這些拉應(yīng)力的組合超過一定的限度值，將使金屬很容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕;3.金屬表面含有引發(fā)開裂的腐蝕性介質(zhì)，即氯離子。

1.3發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕的影響因素

氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素主要有三方面，即環(huán)境因素、應(yīng)力因素、材料因素。環(huán)境因素：環(huán)境因素主要包括：溫度、溶液PH值、氯離子濃度。其中溫度高應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性越高，是由于溶液溫度越高，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的離子及電子越活越，從而加劇了電化學(xué)反應(yīng)的速度;發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂時(shí)PH值通常大于2.0，PH值低于此數(shù)值時(shí)多易發(fā)生均勻腐蝕。PH值接近堿性區(qū)域是，應(yīng)力腐蝕開裂可能性降低;氯離子濃度越高，應(yīng)力腐蝕開裂傾向越高。高濃度氯離子可能來源于介質(zhì)側(cè)金屬內(nèi)壁的局部濃縮，也可能由于外部含氯環(huán)境造成的金屬外壁局部氯離子濃縮，如設(shè)備長(zhǎng)期在海邊放置過程中因潮濕大氣循環(huán)浸潤(rùn)和蒸發(fā)造成氯離子在設(shè)備金屬表面發(fā)生局部濃縮，或者保溫棉等隔熱材料中含有氯化物，被水或其他液體浸泡后造成氯離子濃度超標(biāo)。應(yīng)力因素：材料的拉應(yīng)力主要來源于承壓介質(zhì)的內(nèi)部壓力、設(shè)備自身載荷以及設(shè)備制造過程中的殘余應(yīng)力。材料因素：奧氏體不銹鋼中的鎳含量影響開裂的敏感性，C元素的含量影響奧氏體不銹鋼的敏化程度即發(fā)生晶間腐蝕的敏感性。

2氯化物應(yīng)力腐蝕開裂檢驗(yàn)策略

了解了影響奧氏體不銹鋼發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的各種因素，可以針對(duì)各個(gè)因素來制定檢驗(yàn)策略。檢驗(yàn)策略的制定是在滿足定期檢驗(yàn)規(guī)則的基礎(chǔ)上，基于各個(gè)影響因素來判斷可能發(fā)生奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂傾向的程度，從而制定檢驗(yàn)策略。

2.1針對(duì)環(huán)境因素的檢驗(yàn)策略

環(huán)境因素的影響可以從三方面考慮。溫度、PH值、介質(zhì)中氯離子濃度的主要通過查閱設(shè)備介質(zhì)的化驗(yàn)記錄，現(xiàn)大型煉油煉化行業(yè)都會(huì)定期對(duì)介質(zhì)中S、CL含量定期化驗(yàn)，從而通過裝置特性來制定檢驗(yàn)策略，確定壓力容器的重點(diǎn)檢驗(yàn)部位。對(duì)待有保溫的奧氏體不銹鋼制壓力容器，可查閱其保溫材料是否符合奧氏體不銹鋼對(duì)保溫材料的要求，在制定表面探傷抽檢部位時(shí)不能只對(duì)內(nèi)表面介質(zhì)側(cè)抽查，見圖1，為典型的保溫棉下奧氏體不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。

2.2針對(duì)應(yīng)力因素的檢驗(yàn)策略

針對(duì)應(yīng)力因素的檢驗(yàn)策略可重點(diǎn)排查設(shè)備制造過程中的殘余應(yīng)力，因?yàn)槌袎航橘|(zhì)的內(nèi)部壓力及設(shè)備自身載荷在設(shè)計(jì)過程已經(jīng)予以計(jì)算。設(shè)備制造過程中可能帶來比較高的殘余應(yīng)力包括焊接殘余應(yīng)力以及封頭冷成型過程的加工硬化等。尤其是封頭與相鄰?fù)补?jié)連接的環(huán)焊縫，因?yàn)檫@里同時(shí)存在上述兩種加工過程。如圖2，為典型的由于封頭冷加工成型及熱影響區(qū)焊接殘余應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力過大從而誘發(fā)不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂。

針對(duì)殘余應(yīng)力大小現(xiàn)場(chǎng)的檢驗(yàn)最為簡(jiǎn)便直接的方法就是通過使用便攜式硬度計(jì)對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行硬度抽查，因?yàn)榻饘俨牧蟽?nèi)應(yīng)力與硬度呈正函數(shù)關(guān)系，硬度可以反映殘余應(yīng)力的大小。

2.3針對(duì)材料因素的檢驗(yàn)策略

奧氏體不銹鋼中的鎳含量影響開裂的敏感性，C元素的含量影響奧氏體不銹鋼的敏化程度即發(fā)生晶間腐蝕的敏感性。其中C元素超過GB24511-2009和HB/T47010-2017標(biāo)準(zhǔn)上限，則材料存在沿晶應(yīng)力腐蝕開裂較高的敏感性。可在現(xiàn)場(chǎng)使用全譜直讀光譜儀對(duì)鎳及C元素含量分析，判斷發(fā)生奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的傾向。

3總結(jié)

通過對(duì)奧氏體不銹鋼材料發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理及各項(xiàng)影響因素的分析，可以有針對(duì)性的排查可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的傾向，以及有針對(duì)性的制定檢驗(yàn)策略。現(xiàn)在奧氏體不銹鋼表面裂紋的檢測(cè)方法主要就是滲透檢測(cè)。隨著新技術(shù)的發(fā)展，也為我們提供了更多的選擇。如對(duì)于無法進(jìn)行內(nèi)表面檢測(cè)的壓力容器，通常使用的方法是超聲波探傷，但由于奧氏體不銹鋼晶體結(jié)構(gòu)，將大大影響超聲波探傷的靈敏度。現(xiàn)NB/T47013.15-2021《無損檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法》的正式頒布實(shí)施，大大提高了奧氏體不銹鋼從外部進(jìn)行內(nèi)表面探傷的靈敏度。

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作者簡(jiǎn)介

王世成（1981年生），男，廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院湛江檢測(cè)院，工程師職稱，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作