1、概述压力容器应力腐蚀及其控制措施摘 要:压力容器最危险的损害之一是应力腐蚀,文章叙述述了压力容器应力腐蚀的具体概念,分析了影响压力容器应力腐蚀的有关因素,最后从选材、使用过程、环境因素等方面提出了一些压力容器应力腐蚀的控制措施。 关键词:压力容器；应力腐蚀；控制措施 中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号： 压力容器是工业生产中常用的一种设备,在石油、化工、冶金、食品、制药、煤气运输、重型机械、核电站以及海洋开发等领域得到越来越广泛的应用。因此,研究压力容器的应力腐 蚀及防护策略,具有十分重要的现实意义. 1 应力腐蚀开裂的概念 应力腐蚀开裂是金属构件在应力以及特定的腐蚀性介质的协
2、同作用下，被腐蚀并且导致金属断裂的现象。腐蚀使金属材料的有效截面积减小，在表面形成缺口，从而产生应力集中；而应力又会加速腐蚀的进行，使表面向深处进行扩展，最终导致断裂。应力腐蚀会使压力容器在应力低于它的强度极限时破裂。应力腐蚀开裂是由设备的使用环境而引起的开裂。金属构件发生应力腐蚀，一般取决于一系列综合因素的影响，主要包括：金属的力学性能与组织介质的性质，以及介质有无一些特殊杂质及介质参数等情况。钢的应力腐蚀产生在如下介质中：碱、硝酸盐以及氯化物的溶液、酸溶液；含硫化氢、氰化氨、氨以及二氧化碳的溶液；含氧气、二氧化碳等杂质的液氨等。一般要具备两个条件：一是金属与环境介质的特殊组合。并非所有材料
3、都会在以上介质中发生应力腐蚀开裂的情况。开裂仅仅发生于有限的特定介质合金偶对中。也就是某一种金属只在某一类介质和某些特定的条件下，比如压力、温度、湿度、浓度等，才可能产生应力腐蚀；二是承受到拉伸应力。不同材料最容易发生应力腐蚀开裂的环境也会不同。除了腐蚀环境，应力腐蚀还与拉应力的存在密切相关。绝大多数设备中都存在拉应力。包括构件在运行过程中产生的拉伸应力，在制造及安装过程中也会留下残余应力，比如由焊接、冷作、热加工、冷加工、变形及强行组对等引起的残余应力，这些都是引起应力腐蚀开裂的重要应力来源。 2 压力容器应力腐蚀的影响因素 2.1 力学因素 压力容器承受的拉应力主要有负载应力和残余应力两种
4、,残余应力包括焊接产生的残余应力、金属冷加工变形产生的残余拉应力和结构设计不合理产生的应力集中等。当压力容器所受的拉应力超过临界应力时就会发生应力腐蚀断裂。 2.2 环境因素 温度、介质中某些成分的浓度、pH 值以及溶解氧等都对金属或合金的应力腐蚀断裂敏感性产生不同程度的影响。如果特征介质浓度越大,越容易引起应力腐蚀断裂。只有特定的材料在拉伸应力和一定环境的共同作用下,才会发生应力腐蚀断裂。另外,溶液的温度对应力腐蚀断裂也有影响,一般来说,温度越高,越容易发生应力腐蚀断裂。 2.3 冶金因素 冶金因素中主要包括合金元素、金相组织、夹杂物的含量和偏析和热处理等方面。 （1）合金元素的影响。在相同
5、的腐蚀环境里不同的金属一般具有不同的应力腐蚀敏感性,而同一种金属在不同的腐蚀环境里也有着不同的应力腐蚀敏感性。金属在合金中占的比例不同,合金的应力腐蚀敏感性也就会随之比例的不同而发生变化。金属和腐蚀环境的最佳组合,可以有效地避免或降低应力腐蚀发生的概率。 (2)金相组织的影响。在奥氏体、铁素体和马氏体不锈钢中,奥氏体不锈钢对应力腐蚀最为敏感,与奥氏体共存在少数铁素体,可以有效提高材料抗应力腐蚀的程度。 (3)夹杂物的含量和偏析的影响。合金材料含有夹杂物和偏析,会使晶界的电位降低,从而形成应力腐蚀电池的阳极,场所对应力腐蚀的敏感性。 3 压力容器应力控制策略 3.1 力学因素方面的防护 减小拉应
6、力,使材料的工作应力和残余应力之和降低到腐蚀临界应力以下,可以采取以下措施:(1)对容器进行结构设计时,将应力分散开来,不出现过高的应力集中区,使用圆角进行结构过渡。(2)对容器冷加工处理时,要采取切实有效的措施,防止产生拉应力。(3)为了消除残余应力,容器制成后必须经过整体退火热处理这一工序。(4)压力容器应严格避免超压工作。超压运行不但是容器强度不允许的,而且也容易产生应力腐蚀。(5)采取措施使压力容器接触介质的表面处于压应力状态。压应力状态可以使微小的缝隙闭合,使应力腐蚀的电化学过程无法进行,从而避免了应力腐蚀的发生。 3.2 环境因素方面的防护 设计时要使用最佳工艺条件,使压力容器在设
7、计规定的工艺条件下不产生应力腐蚀。(1)采取措施减少介质中氧和氧化物的含量,使之达到千万分之几或者更小的程度,这样可以防止不锈钢的密闭、热交换系统的应力腐蚀,也可以防止应力腐蚀的产生。(2)腐蚀介质中添加缓冲剂,也在某种程度上降低了应力腐蚀断裂发生的可能性。(3)压力容器结构的设计过程中要力争达到最优效果,必须从容器防护的角度全面进行考虑,除了防止机械应力、应力集中外,还要防止热应力、腐蚀介质的滞留和集中等。设计金属结构要避免电位差大的金属材料直接接触,以免发生电偶腐蚀;如果两种不同电位的材料无法避免接触,应该尽可能使阳极部分面积大一点,阴极部分面积小一些。(4)采用阴极保护防止应力腐蚀的产生
8、,导电的介质中将设备的金属联接到直流电源的负极上,通以电流,进行阴极极化。(5)选择合适的材料作为表面保护层,把金属表面和腐蚀介质分开,阻止金属表面层微电池的作用。 3.3 冶金因素方面的防护 对 于 每 种 金 属 材 料 、合 金 ,都 有 产 生应力腐蚀的特征介质,因此设计制造压力容器时,要合理选用材料,避免使用对应力腐蚀敏感的金属材料。奥氏体、铁素体和马氏体不锈钢的应力腐蚀特征都是不一样的,要根据不同的腐蚀介质来进行选择。 3.4 使用过程中进行防护 压力容器的使用过程中要注重应力腐蚀的防护。(1)做好设备的清洗,清洗过程中,要选择合适的清洗剂,防止设备与清洗剂发生化学反应;同时,设备
9、都是根据特定的工况设计的,在清洗过程中,不用随意改变工况。(2)正确使用缓蚀剂,缓蚀剂可以改变腐蚀环境的性质,它改变介质的酸碱度,促进阴极或者阳极的极化,从而阻止氢的入侵。(3)优化操作流程,如果操作压力波动过大,过于频繁,可能会产生疲劳腐蚀,从而更容易产生应力腐蚀断裂。因此,操作的过程中,应尽量避免操作压力过大和过于频繁的情形。(4)加强对员工的技能培训,提高员工的安全意识,规范操作流程,正确使用和维护压力容器,延长其寿命,避免各种风险的发生。 3.5 合理选材 在许多工程中,工况环境是无法改变的,在这种情况下,可以根据环境中各种腐蚀因子的条件选择合理的材料,尽量选用屈服强度 RS 低于 2
10、20 MPa 的低碳钢及铁素体钢。在必须选用高强钢的场合,一定要在焊接工艺上采取措施,选用优良的焊接工艺。 对特定材质的压力设备，应避开一些敏化组合，以此避开应力腐蚀开裂。这就要求，一是要求在设计压力设备时选用合适的材料，以避开敏化组合。二是采用无机涂层、有机涂层、金属涂层或惰性气体覆盖表面，或者采用涂油、加衬里、加阻化剂等方法，阻止金属与容易产生应力腐蚀开裂的介质直接接触。三是采用新工艺，采用更有利于抵抗应力腐蚀介质侵蚀的涂层晶粒排列形式。 3.6 避免有过大的应力集中和有害离子积聚的结构 避免缝隙与死角，改善应力分布。具体措施包括，采用正确的焊接方式；避免低凹部分以及溶液没有充满的空间，防
11、止腐蚀液的滞留、蒸汽冷凝、水分蒸发、腐蚀产物和有害离子的浓缩、污垢的积聚，设计易于清洗、方便排污的结构；增加危险截面的尺寸，采用膨胀系数相近的材料进行装配，精心设计加工方法，尽量减小设备的残余应力。 4 结语 总之，防止或避免压力容器的应力腐蚀是一个综合的系统工程，不但关系到工作的质量和工序的正常进行，还会对环境安全产生重要影响。预防压力容器的应力腐蚀既是工作问题，又是环境和安全问题，需要在设计与制造阶段做好对产品质量的的控制，需要在使用过程中做好对设备的维护，以及加强对人员的培训，以便正确地使用与维护设备，从而最大程度地避免压力容器的应力腐蚀。 参考文献 1 张纯楠,王志文.高强度钢液氨球罐防止应力腐蚀的可行性分析J.化工机械. 1999, 26(1): 55-58.
