压力容器的应力腐蚀及控制

压力容器的应力腐蚀及控制

李养治

锦西石化分公司工程质量监督站辽宁葫芦岛125001

摘要：应力腐蚀是导致压力容器被损坏的一个重要的因素。本文首先分析了什么是应力腐蚀及其原理，进而研究了压力容器应力腐蚀的影响因素以及容器被腐蚀后的断裂特征，在此基础上分析了如何控制压力容器应力腐蚀。

关键词：压力容器；应力腐蚀；控制

1应力腐蚀破裂的定义

压力容器形成应力腐蚀破裂现象会给生产过程带来很大危害，因此需要明白应力腐蚀破裂的意义。简单来讲，应力腐蚀破裂指的是受到腐蚀介质以及静拉伸应力的双重作用形成的一种特殊断裂方式，从而影响生产等活动。

2应力腐蚀破裂的特点分析

根据应力腐蚀破裂的定义可以知道，产生应力腐蚀破裂需要有两个条件同时作用，即腐蚀介质以及静拉伸应力。因此，应力腐蚀破裂的特征主要有两个方面。第一，需要有一定的静拉伸应力作用。一般来讲，容器材料本身具有一定的屈服强度，发生应力腐蚀破裂的拉伸应力一般都会比材料的屈服强度值低，并且应力腐蚀破裂引起的断裂时间与拉伸应力成反比，即拉伸应力越小，时间越长。当拉伸应力低于某个值而不会再形成断裂时的应力数值叫做应力腐蚀破裂门槛值（用KISCC表示）。第二，产生破裂的腐蚀介质是特定的，不是所有的材料都会形成应力腐蚀破裂现象，一般是合金才会形成这种现象，而纯金属一般是不会产生的。在拉伸应力作用的条件下，金属在腐蚀介质中的腐蚀速度一般不大。

3压力容器应力腐蚀的危害性及影响因素

压力容器是一种有较高危险性的特种设备，在石油化工行业应用得最为广泛，压力容器盛装的多为有毒、易燃、易爆或具有腐蚀性的介质，又长期处于高温高压的状态下，因此在生产和使用的过程中在失效的情况下，很容易发生事故。压力容器的腐蚀断裂是指金属在特定腐蚀性介质和拉应力共同的作用下发生的断裂破坏，压力容器的腐蚀断裂所引起的危害往往没有事先的预兆，在没有准备的情况下突然发生脆性断裂，一旦压力容器产生腐蚀断裂所带来的危害是不可估量的。

压力容器应力腐蚀的影响因素可以从以下几个方面进行分析：第一，应拉力因素，当压力容器所受的拉伸应力超过临界应力时就会发生应力腐蚀断裂。压力容器所承受的拉应力分为残余应力和负载应力，其中，残余应力包括金属冷加工变形产生的残余拉应力、负载拉应力和因结构设计不合理产生的应力等。据调查有80%以上的压力容器腐蚀断裂事故是由残余拉应力引起的。第二，材料强度的影响。压力容器的材料强度与应力腐蚀断裂也有着紧密的关系，在不同的条件下有着不同的影响，例如，塑性变形起控制作用的SCC，可以通过提高钢的屈服强度，达到提高抗腐蚀断裂的目的。第三，环境因素。温度、环境的介质中的一些成分的PH值等对压力容器的应力腐蚀都有一定的影响。压力容器在不同的环境中有着不同的温度限制，即在温度限制之内不会发生腐蚀断裂，但当超出临界温度时，压力容器腐蚀断裂的速度就会加快。PH值对压力容器的应力腐蚀的影响作用也相当大。由于酸性溶液会促进低碳钢的硝脆，所以凡是水溶液呈酸性的硝酸盐类对都硝脆都有促进作用。

4控制压力容器应力腐蚀的有效措施

4.1力学因素方面的防护

减小拉应力,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。

4.2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,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。

4.3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。

4.4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。

4.5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220MPa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。

4.6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。

5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.