壓力容器的應力腐蝕及檢驗中的問題研究

張藝瀟

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

在拉伸應力和特定腐蝕環境中，金屬構件產生的斷裂問題被稱作應力腐蝕斷裂。近年壓力容器呈現大型化和高溫高壓化的趨勢，同時，大量利用高強度鋼，因此增多壓力容器破壞問題發生率，而事故主要引發原因包括應力腐蝕斷裂。應力腐蝕引發的事故具有較大的破壞力，這是因為應力腐蝕引發的變形問題并沒有任何預兆，而是突然產生脆性斷裂情況。因此，要加強研究壓力容器的應力腐蝕斷裂。

1 概述應力腐蝕

特定的金屬材料和合金材料在應力和腐蝕介質的共同影響下產生的特殊開裂問題被稱作應力腐蝕。發生應力腐蝕的必要條件之一是壓力容器的應力，在壓力容器中經常會產生載荷應力和殘余內應力，這兩種應力都會引發應力腐蝕問題。載荷應力指因為工作介質產生拉應力，在壓力容器中普遍存在這種拉應力。而殘余應力包含不同的內容，在設備運行和停車階段殘余應力都會產生負面作用。此外，腐蝕介質和材料之間就有針對性，特定的腐蝕介質只會作用于特定材料，從而產生應力腐蝕問題。例如，在拉伸應力和特定材料的影響下，金屬材料才會產生應力腐蝕問題。這說明發生應力腐蝕需要同時具備拉伸應力和腐蝕因素。發生腐蝕問題后，將會不斷減少金屬截面積，并且會在金屬表面產生缺口，同時在缺口部位通常會集中應力，而集中應力之后將會提高腐蝕速度，不斷擴大金屬表面的缺口，最終將會引發斷裂問題。很多壓力容器產生腐蝕開裂的問題，主要是因為應力腐蝕引發的。例如，在載荷應力和焊接應力的影響下，或者在壓力容器結構中存在應力集中的情況，這些因素都會增加壓力容器的拉伸應力，從而在壓力容器中產生應力腐蝕問題。

2 應力腐蝕破裂的特征

2.1 存在拉伸應力

發生應力腐蝕破裂需要應力作用，該應力通常低于材料屈服強度，如果拉伸應力比較小，那么應力腐蝕斷裂將會維持較長的斷裂時間；如果拉伸應力低于特定值，應力腐蝕不會繼續產生斷裂破壞，這一階段的臨界應力值被稱作腐蝕斷裂的門檻值。

2.2 腐蝕介質具有特定性

金屬材料組合某些特定介質才會產生應力腐蝕開裂的問題，針對其他的腐蝕介質，材料的應力腐蝕開裂速度相對較低。表1是很容易產生應力腐蝕開裂現象的金屬材料和環境介質組合。

表1 容易發生應力腐蝕開裂的金屬材料和環境介質的組合

2.3 斷裂速度

應力腐蝕斷裂速度處于10-3～10-1cm/h范圍內，這一速度大于正常情況下的腐蝕速度，同時，小于單純力學因素引發的斷裂速度，通常產生脆性斷裂的斷口形貌。

3 應力腐蝕斷裂的產生條件

3.1 特定材料化學成分和組織

通過研究確定，鋼材具有較高強度時，將會增大應力腐蝕裂紋的發生率。結合調查研究顯示，利用屈服強度在320MPa以上的金屬材料時，這類材料制造的液氨儲罐將會產生應力腐蝕裂紋。而低碳鋼制造的儲罐屈服強度在220MPa范圍內，其應力腐蝕裂紋發生率比較低。分析易發生應力腐蝕的壓力容器材料，通常是以奧氏體不銹鋼和碳鋼為主。

3.2 拉伸應力

當拉伸應力超過應力門檻值后，將會引發應力腐蝕斷裂問題。壓力容器拉伸應力的產生主要是以下三個方面：（1）外應力。容器設備的操作運行環境伴隨著多種應力，這一階段產生的應力被稱作外應力，運行階段內外溫度差和反復加熱、冷卻等階段產生的應力也屬于外應力。（2）殘余應力。壓力容器殘余應力的產生原因比較復雜，在容器制造過程中，焊接接頭形式不合理和裝配過程中對口強力組裝都會產生殘余應力，安裝固定襯里時施工不當也會產生殘余應力。（3）在腐蝕過程中，陽極溶解產生的腐蝕產物體積通常大于被腐蝕的金屬體積，這些產物在閉塞部位會產生較大應力。

3.3 環境因素

環境溫度和介質濃度以及pH值等因素會直接影響金屬材料和合金材料的應力腐蝕斷裂的敏感性。（1）壓力容器的工作溫度超過電化學腐蝕開始發生的閾值，將會增大腐蝕發生的概率。（2）介質濃度直接影響應力腐蝕，例如，液氨的含水量在質量分數＜0.005%或＞0.2%時應力腐蝕的敏感性較低。（3）pH值也會直接影響應力腐蝕，pH值較低的情況下，不銹鋼應力腐蝕速度通常比較快。此外，含氧量也會對應力腐蝕有影響，如介質中存在氯離子環境，溶解氧含量過低將會導致不銹鋼腐蝕。

4 壓力容器檢驗中典型的應力腐蝕

4.1 液氨壓力容器的應力腐蝕

無水液氨會腐蝕鋼材料，使材料發生減薄。空氣同時會污染液氨，例如，在停車檢查、充料和排料階段，介質環境為液氨的壓力容器很容易發生該問題，如果空氣混入液氨中，氧氣和二氧化碳將會對液氨應力腐蝕起促進作用，液氨和氧氣以及二氧化碳等產生反應后將會產生氨基甲酸銨，這類材料將會劇烈腐蝕碳鋼，在拉伸應力的影響下，鋼材表面的鈍化膜將會因此破裂，從而引發應力腐蝕。這種應力腐蝕的主要表現是在表面產生開裂現象，在裂紋中包含腐蝕物。碳鋼材料對其具有較高的敏感性，而液氨純度、溫度和容器的應力分布情況是應力腐蝕主要的影響因素。

液氨環境下壓力容器的材料強度和工作溫度以及液氨純度都直接影響應力腐蝕速率。同時，容器的焊縫附近可能存在較高的殘余應力，這一部分將會產生嚴重的應力腐蝕。純液氨和含水量在0.2%以上的液氨只會輕微地腐蝕鋼板，但是，在充裝、排料和檢維修過程中，液氨容器很容易被空氣污染：在二氧化碳和氧氣作用下會加快腐蝕速率，因此，在容器的日常維護中使用單位需要加強分析液氨的成分及含水量。在日常檢驗和全面檢驗時，都要注意液氨成分，同時重點關注壓力容器工作壓力和工作溫度等。

4.2 氯離子引發的應力腐蝕

因奧氏體不銹鋼的鈍化膜上很容易吸附氯離子，結合鈍化膜附近的陽離子后將會產生可溶性的氯化物，因此，破壞整個鈍化膜在金屬表面形成腐蝕小坑，在氯離子腐蝕的作用下會繼續破壞表面的鈍化膜。腐蝕坑內水解的氯化物會降低pH值，產生具備酸性的溶液，因而腐蝕金屬，產生過多的鐵離子后將會呈現出電中性，同時，氯離子向腐蝕坑內不斷移動，進一步加劇氯化物的水解反應，嚴重腐蝕金屬最終導致金屬穿裂。這種應力腐蝕會導致金屬直接發生開裂問題，并且不會產生減薄的情況。在檢驗過程中，檢驗人員經常會遇到奧氏體不銹鋼等應力腐蝕開裂敏感金屬，壓力容器的工作溫度和氯離子濃度以及應力情況等會直接影響這種腐蝕。

經過統計可以確定通常是在焊縫附近產生應力腐蝕問題，這說明引發應力腐蝕的主要原因是焊接殘余應力，因此，檢驗人員需要重視焊縫及熱影響區等部位。在檢驗不銹鋼材料制壓力容器的過程中，需要注意介質的氯離子含量，有利于規避應力腐蝕問題。因為在正常的工作環境下壓力容器不會產生壓力腐蝕，但是，在停車階段或者發生操作不良的階段，將會引發應力腐蝕問題。這是因為壓力容器中存在殘留的氯化物等，在壓力容器內壁表面附著包含氯離子的水溶液，從而引發壓力容器腐蝕破壞，因此，停車后要徹底清理容器內的介質。

5 控制壓力容器應力腐蝕斷裂的措施

5.1 合理選材

很多工業企業無法改變工況環境，在這一背景下為了控制壓力容器應力腐蝕斷裂，需要綜合分析環境中存在的腐蝕因子，因此，選擇合理的材料，例如，要選擇低碳鋼和鐵素體鋼材料，并且要保障材料服務強度在220MPa范圍內。如果需要利用高剛強材料，需要進一步優化焊接工藝。

5.2 降低應力

（1）優化結構設計和加工制造。在設計和制造壓力容器的過程中，要注意均勻的分布應力，避免在局部位置集中應力。例如，連接不等壁厚需要降低過渡連接的坡度，可以選用圓滑過渡方式，注意不能在拉應力部位設置焊縫。針對立式設備盡量規避利用懸掛式支座和搭接式裙座。在結構設計過程中要盡量清除縫隙和死角，縫隙和死角處易聚集濃縮腐蝕物質，并且會不斷提高縫隙中的腐蝕物質濃度，從而引發應力腐蝕問題。因此，焊接工藝設置時，應將焊縫結構設置為全焊透結構，此外，在連接換熱器和管板的過程中，要優先選用脹焊并用結構。

（2）利用熱處理。焊接壓力容器的過程中，在焊縫熱影響區中很容易產生拘束應力，如果這一應力超過材料屈服極限值，那么在腐蝕環境中將會引發應力腐蝕問題。因此，針對壓力容器的應力腐蝕環境，在焊接之前需要提前預熱，完成焊接工作后需要退火熱處理，將殘留的應力及時清除。金屬成分和組織變形程度等因素直接影響熱處理溫度和保溫時間等，下表是金屬和合金熱處理溫度和冷卻時間。

表2 金屬及合金熱處理溫度和冷卻時間

5.3 改善工作環境

（1）襯里防護。一些壓力容器內部包含腐蝕性介質，如果沒有選擇合適的耐蝕性金屬材料，可以采用襯里防護措施。壓力容器的襯里主要包括不銹鋼和橡膠以及玻璃鋼等，需要綜合壓力容器介質特征和工作壓力以及工作溫度等選擇壓力容器的襯里。如果壓力容器的壓力和溫度比較高，適合使用不銹鋼和鈦的襯里，但這兩種材料具有較高的施工難度，而且成本也較高。而非金屬材料的襯里對工況要求比較嚴格，需要較低的工作溫度和壓力，因此增加了使用限制條件。

（2）處理介質條件。如果企業經濟條件允許，需要合理處理易產生腐蝕的介質，將腐蝕傾向大的有害成分脫除，也可以根據實際情況選用緩蝕劑和抗垢劑等，有利于有效控制應力腐蝕，同時，可以提高壓力容器的抗腐蝕能力。

5.4 加強預測壓力容器應力腐蝕傾向

在檢驗壓力容器的過程中，需要合理分析壓力容器應力腐蝕傾向。一方面，在資料審查時，需要結合設備原始資料中的材料、介質、工況等方面分析壓力容器可能發生的應力腐蝕機理，根據分析結果制定科學的檢驗方案，采取合理的檢驗技術和條件等。另一方面，在壓力容器檢驗階段，需要結合資料審查時分析出可能出現的應力腐蝕傾向，同時，結合設備現有缺陷的形貌特征判斷已產生的裂紋是否是因為應力腐蝕，從而確定是否需要借助其他檢驗手段和檢測方法對設備增加新的檢測部位、擴大檢測比例，精準檢出應力腐蝕產生的位置，保證檢驗結果的科學性和準確性。

5.5 合理選擇檢驗重點部位

（1）加強檢驗液體滯留和固體物沉積的部位，這些部位包括容器底部、底封頭和排液口等；（2）在連接結構中有些部位易產生縫隙死角，這些部位包括脹接結構和容器支撐件等；（3）重點檢驗應力集中部位，例如焊接交叉部位和T型焊結構等；（4）加強檢驗容器的氣液相過渡部位，以及熱水塔底部和換熱交換器的底部；（5）檢查局部溫度變化幅度較大的部位，特別是需要檢查壓力容器的局部過熱點，關注飛溫等問題；（6）加強檢驗壓力容器進料口、管口角焊縫和管口壁體。

如果通過檢驗發現應力腐蝕開裂問題，檢驗人員需要綜合分析裂紋的形態、數量、具體發生部位和開裂程度等，結合硬度檢測結果，必要時可通過金相檢測確定裂紋的特征和性質。如果壓力容器產生應力腐蝕裂紋，需要合理改進檢驗方案，加大力度檢驗壓力容器的內表面，同時，需要擴大硬度檢測和金相檢測的范圍，有利于有效處理缺陷，保障壓力容器運行的安全性。

6 結語

應力腐蝕對壓力容器具有較大的危險性，體現出壓力容器檢驗工作的重要性，包括使用單位的日常檢查、年度檢查及檢驗單位的全面檢驗。檢驗時，需要結合相關資料分析壓力容器可能產生應力腐蝕的機理，從而提出針對性的預防措施和處理措施，保障壓力容器運行的安全性和穩定性，推動工業行業可持續發展。