腐蝕百科-壓力容器應力腐蝕選材要點
2021-05-06 00:14:40
hualin
應力腐蝕開裂
某種(zhong)金屬材料只有(you)在(zai)特定(ding)的(de)(de)腐(fu)蝕環(huan)境中，才發(fa)生應(ying)力(li)(li)腐(fu)蝕開(kai)(kai)裂。下表是(shi)容(rong)易(yi)引(yin)起應(ying)力(li)(li)腐(fu)蝕開(kai)(kai)裂的(de)(de)壓力(li)(li)容(rong)器(qi)用鋼和腐(fu)蝕環(huan)境的(de)(de)組合。可見，幾乎每一(yi)種(zhong)材料都(dou)有(you)可能(neng)發(fa)生應(ying)力(li)(li)腐(fu)蝕開(kai)(kai)裂。
根(gen)據上述應(ying)力腐蝕開裂(lie)特征，得出共同(tong)的防止途徑是：
① 盡量消除(chu)拉應(ying)(ying)力(li)，或施加以壓應(ying)(ying)力(li)。設備機(ji)加工或焊接后最(zui)好(hao)進行消除(chu)應(ying)(ying)力(li)退火，或進行噴(pen)丸處理等操作，造成表面壓應(ying)(ying)力(li)。
拉應力(li)的(de)(de)來源有三個：一是設備的(de)(de)壓力(li)載荷(he)或(huo)非壓力(li)載荷(he)應力(li)（如熱(re)應力(li)）；二是加工制(zhi)造和安裝過程中產生的(de)(de)殘余應力(li)；三是腐蝕(shi)產物膨(peng)脹造成的(de)(de)應力(li)，即由于(yu)腐蝕(shi)產物體積比被腐蝕(shi)掉的(de)(de)金屬的(de)(de)體積大，所造成的(de)(de)“楔入作用(yong)”。
② 改變介質的腐蝕性，使其完全不腐蝕（包括使其進入穩定鈍態），或者使其轉為全面腐蝕，均可以防止應力腐蝕開裂。前者如使用緩蝕劑；后者如對于可經常更換的零部件改變介質成分造成全面腐蝕。
③ 選用耐應力腐蝕開裂的金屬材料。
④ 采用陰極(ji)保護。
堿脆
金(jin)屬在氫(qing)氧化鈉溶液中的(de)應(ying)力(li)(li)腐(fu)蝕開裂稱堿脆(cui)。碳(tan)鋼(gang)(gang)、低(di)(di)合金(jin)鋼(gang)(gang)、不銹鋼(gang)(gang)等多(duo)種(zhong)金(jin)屬材料皆可發生(sheng)堿脆(cui)。氫(qing)氧化鈉濃度(du)在5%以上的(de)全(quan)部濃度(du)范圍內，碳(tan)鋼(gang)(gang)幾乎都(dou)可能(neng)產生(sheng)堿脆(cui)；碳(tan)鋼(gang)(gang)及低(di)(di)合金(jin)鋼(gang)(gang)的(de)溫(wen)度(du)和氫(qing)氧化鈉濃度(du)超過(guo)曲線對應(ying)的(de)限(xian)定值時(shi)，焊后應(ying)進行(xing)消除應(ying)力(li)(li)熱處理。碳(tan)鋼(gang)(gang)及低(di)(di)合金(jin)鋼(gang)(gang)壓(ya)力(li)(li)容器(qi)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)用鋼(gang)(gang)板的(de)腐(fu)蝕裕量不得小于3mm，以增強耐均勻(yun)腐(fu)蝕能(neng)力(li)(li)并(bing)降(jiang)低(di)(di)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)應(ying)力(li)(li)水平。盛裝氫(qing)氧化鉀溶液的(de)碳(tan)鋼(gang)(gang)及低(di)(di)合金(jin)鋼(gang)(gang)焊制(zhi)容器(qi)也應(ying)參照上述(shu)要求(qiu)。
下圖(tu)所示的(de)關系早在20世紀50年代初就已發表并成為(wei)腐(fu)蝕著作引用最多的(de)資(zi)料，但時至今日仍不(bu)斷發生碳鋼設(she)備的(de)堿脆破壞事故，且環境溫(wen)度(du)條件明顯地在破裂區（應力(li)消除）范圍。究其原因，有些與加(jia)(jia)熱(re)方(fang)式有關，即以熱(re)水(shui)加(jia)(jia)熱(re)為(wei)主但是在冬季輔助(zhu)以蒸汽加(jia)(jia)熱(re)造成了超(chao)溫(wen)（超(chao)過50℃）。解決措施可以考慮以下幾(ji)方(fang)面：改變加(jia)(jia)熱(re)方(fang)式，重(zhong)新考慮選材(cai)和熱(re)處理方(fang)案；設(she)置(zhi)溫(wen)度(du)檢(jian)測點防止超(chao)溫(wen)等。
對(dui)于(yu)奧氏(shi)體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)而言，氫(qing)氧化鈉濃度在(zai)0.1%以上時(shi)(shi)，18-8型(xing)奧氏(shi)體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)即可(ke)發(fa)生堿脆，以氫(qing)氧化鈉濃度為(wei)40%時(shi)(shi)最危險，這時(shi)(shi)發(fa)生堿脆的溫度為(wei)115℃左右。當奧氏(shi)體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)中加入2%鉬時(shi)(shi)，則可(ke)使(shi)其堿脆界限縮小(xiao)，并向(xiang)堿的高(gao)濃度區域(yu)移動。鎳和(he)鎳基合金具有較(jiao)高(gao)的耐應力腐蝕性能，它的堿脆范圍變得狹(xia)窄，而且(qie)位于(yu)高(gao)溫濃堿區。
氯脆
氯離(li)(li)(li)子不但能引(yin)起(qi)奧(ao)氏體(ti)不銹(xiu)鋼孔蝕，更(geng)能引(yin)起(qi)應力腐蝕開(kai)裂(lie)(lie)。發生(sheng)應力腐蝕開(kai)裂(lie)(lie)的臨(lin)界(jie)氯離(li)(li)(li)子濃(nong)度(du)隨溫度(du)的上升而減(jian)小，高溫下，氯離(li)(li)(li)子濃(nong)度(du)只要達到10-6，即能引(yin)起(qi)破(po)裂(lie)(lie)。發生(sheng)氯離(li)(li)(li)子應力腐蝕開(kai)裂(lie)(lie)臨(lin)界(jie)溫度(du)為60℃。具有氯離(li)(li)(li)子濃(nong)縮的條件（反復蒸干、潤(run)濕）是最易發生(sheng)破(po)裂(lie)(lie)的。壓力容(rong)器中發生(sheng)奧(ao)氏體(ti)不銹(xiu)鋼氯離(li)(li)(li)子應力腐蝕開(kai)裂(lie)(lie)情況相(xiang)當(dang)普遍。
奧氏體不(bu)銹鋼(gang)氧離(li)子(zi)應(ying)力(li)腐(fu)蝕開裂不(bu)僅發(fa)生(sheng)(sheng)在(zai)設備的(de)(de)內(nei)壁(bi)，在(zai)設備、管道外(wai)壁(bi)也時(shi)有(you)(you)發(fa)生(sheng)(sheng)。空氣(qi)中(zhong)(zhong)總含(han)有(you)(you)氯(lv)(lv)化物(wu)(wu)，在(zai)海洋性大(da)氣(qi)和工業區域大(da)氣(qi)中(zhong)(zhong)氯(lv)(lv)化物(wu)(wu)含(han)量(liang)更高。大(da)氣(qi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)水分在(zai)奧氏體不(bu)銹鋼(gang)螺(luo)栓(shuan)上(shang)凝結和蒸(zheng)發(fa)反復發(fa)生(sheng)(sheng)，就會造成螺(luo)栓(shuan)表面的(de)(de)氯(lv)(lv)化物(wu)(wu)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)。干濕(shi)(shi)交(jiao)(jiao)替對(dui)氯(lv)(lv)化物(wu)(wu)濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)十分有(you)(you)利(li)，因此，處(chu)于干濕(shi)(shi)交(jiao)(jiao)替環境中(zhong)(zhong)的(de)(de)不(bu)銹鋼(gang)設備容易發(fa)生(sheng)(sheng)應(ying)力(li)腐(fu)蝕開裂。氯(lv)(lv)離(li)子(zi)也可(ke)能來自于保溫材料(liao)(liao)中(zhong)(zhong)含(han)有(you)(you)的(de)(de)雜(za)質，或由于保溫層破損(sun)、進(jin)入的(de)(de)雨水帶入并經過濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)的(de)(de)結果，例如石棉保溫材料(liao)(liao)。為避(bi)免奧氏體不(bu)銹鋼(gang)的(de)(de)隔熱材料(liao)(liao)濕(shi)(shi)水后濃(nong)(nong)(nong)縮(suo)的(de)(de)氯(lv)(lv)造成不(bu)銹鋼(gang)應(ying)力(li)腐(fu)蝕，必要時(shi)可(ke)對(dui)隔熱材料(liao)(liao)含(han)氯(lv)(lv)量(liang)作出(chu)規定(ding)。
不銹鋼在連多硫酸中的應力腐蝕開裂
在石油(you)煉制工業中(zhong)，以加氫(qing)(qing)脫硫(liu)(liu)裝(zhuang)置為(wei)典型(xing)，不銹鋼連多硫(liu)(liu)酸(suan)（ H2SxO6，x=3~5）的應力(li)腐(fu)蝕開裂(lie)頗為(wei)引人注(zhu)目。設(she)備在正常運行時，受硫(liu)(liu)化氫(qing)(qing)腐(fu)蝕，生成的硫(liu)(liu)化鐵(tie)，在停車(che)檢修時，與空氣中(zhong)的氧及水反應生成了H2SxO6。在Cr-Ni奧氏體不銹鋼設(she)備、管道的殘余應力(li)較大的部位（焊縫熱影響(xiang)區，彎管部位等）產(chan)生應力(li)腐(fu)蝕裂(lie)紋。
硫化物腐蝕破(po)裂(lie)（SSCC-硫裂(lie)）
金(jin)屬在同時(shi)(shi)含硫(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)及水(shui)的(de)介質(zhi)中發(fa)生(sheng)的(de)應力腐(fu)蝕開裂(lie)(lie)(lie)(lie)即為(wei)硫(liu)(liu)(liu)化(hua)物腐(fu)蝕開裂(lie)(lie)(lie)(lie)，簡稱硫(liu)(liu)(liu)裂(lie)(lie)(lie)(lie)。發(fa)生(sheng)硫(liu)(liu)(liu)裂(lie)(lie)(lie)(lie)所(suo)(suo)需(xu)的(de)時(shi)(shi)間短則幾天(tian)，長(chang)則幾個月(yue)到幾年不等，但是(shi)未見超過十(shi)年發(fa)生(sheng)破裂(lie)(lie)(lie)(lie)的(de)事(shi)例。發(fa)生(sheng)硫(liu)(liu)(liu)裂(lie)(lie)(lie)(lie)所(suo)(suo)需(xu)的(de)硫(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)濃(nong)(nong)度(du)很低，略超過10-6，甚(shen)至小于10-6。美國(guo)腐(fu)蝕工程師協會（NACE）以355Pa硫(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)分(fen)壓作為(wei)確定(ding)(ding)特定(ding)(ding)氣體成分(fen)（油田）是(shi)否處于硫(liu)(liu)(liu)裂(lie)(lie)(lie)(lie)潛伏區的(de)判據。發(fa)生(sheng)硫(liu)(liu)(liu)裂(lie)(lie)(lie)(lie)所(suo)(suo)需(xu)的(de)時(shi)(shi)間一般隨(sui)硫(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)濃(nong)(nong)度(du)增大(da)而縮短。隨(sui)著硫(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)濃(nong)(nong)度(du)增大(da)，臨界應力值降低。
碳(tan)鋼和(he)低(di)合金鋼在20~40℃溫(wen)度(du)范圍內對硫(liu)(liu)裂的(de)敏感性(xing)最(zui)大，但奧氏體不銹鋼的(de)硫(liu)(liu)裂大多發生在高(gao)溫(wen)環境，隨(sui)著溫(wen)度(du)升高(gao)，奧氏體不銹鋼的(de)硫(liu)(liu)裂敏感性(xing)增強。
在(zai)含硫(liu)(liu)化(hua)氫及(ji)水的介(jie)質中，如果同(tong)時含醋酸，或(huo)者二氧化(hua)碳和(he)氯(lv)化(hua)鈉，或(huo)磷化(hua)氫，或(huo)砷(shen)、硒、銻、碲的化(hua)合物或(huo)氯(lv)離子，則對(dui)鋼的硫(liu)(liu)裂起促進(jin)作用。
對于(yu)奧氏體(ti)不銹鋼的硫裂(lie)，氯(lv)離子和氧(yang)起(qi)促進(jin)作用，304L和316L不銹鋼對硫裂(lie)的敏(min)感性有如下的關系：H2S+H2O<H2S+H2O+CI-<H2S+ H2O+Cl-+O2（破裂(lie)的敏(min)感性由弱(ruo)到強(qiang)）。
對于碳鋼和(he)低合金鋼來說，淬(cui)火(huo)(huo)(huo)(huo)加回火(huo)(huo)(huo)(huo)的金相組(zu)(zu)(zu)織(zhi)抗硫裂最好，未回火(huo)(huo)(huo)(huo)馬(ma)(ma)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)最差(cha)。鋼抗硫裂性能依淬(cui)火(huo)(huo)(huo)(huo)+回火(huo)(huo)(huo)(huo)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)、正(zheng)火(huo)(huo)(huo)(huo)+回火(huo)(huo)(huo)(huo)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)、正(zheng)火(huo)(huo)(huo)(huo)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)、未回火(huo)(huo)(huo)(huo)馬(ma)(ma)氏(shi)體(ti)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)的順序遞降。
鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)強度(du)(du)(du)越高，越容易發(fa)生硫裂(lie)。鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)(du)(du)值越高，越容易發(fa)生硫裂(lie)。NACE標(biao)(biao)準(zhun)規定，含流(liu)油(you)、氣田用(yong)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)(du)(du)<22HRC。現在國際上普(pu)遍采用(yong)它作為碳鋼(gang)(gang)和(he)低合金鋼(gang)(gang)在濕(shi)硫化氫環境中使用(yong)的(de)(de)(de)標(biao)(biao)準(zhun)。這并沒(mei)有什么理論根據，只是(shi)現場經驗的(de)(de)(de)總(zong)結。例外的(de)(de)(de)情(qing)況是(shi)極個別的(de)(de)(de)。
焊縫(feng)特別是(shi)熔(rong)合(he)線是(shi)最(zui)容易發(fa)生(sheng)硫裂的(de)部(bu)位，因為(wei)這里的(de)硬度最(zui)高(gao)。NACE對碳鋼焊縫(feng)的(de)硬度作了(le)嚴格的(de)規定：≤200HB。焊縫(feng)部(bu)位常(chang)發(fa)生(sheng)破(po)裂，一方(fang)面是(shi)由(you)于焊接殘(can)余應力的(de)作用，另一方(fang)面是(shi)由(you)于焊縫(feng)金屬、熔(rong)合(he)線及熱(re)影響區出現淬硬組織的(de)結果。為(wei)防止硫裂，焊后進行有(you)效的(de)熱(re)處理（適當增加625℃±25℃保溫時間）是(shi)十分(fen)必要(yao)的(de)。
控(kong)制(zhi)硫(liu)裂措施：在(zai)硫(liu)裂環(huan)境中的(de)(de)受壓元(yuan)件(jian)不宜(yi)選(xuan)用18-8型(xing)奧氏體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)和標準抗(kang)拉強(qiang)度(du)大于540MPa的(de)(de)碳鋼(gang)和低合金(jin)鋼(gang)；降(jiang)低鋼(gang)板中S、P含量(liang)；增(zeng)加(jia)非(fei)金(jin)屬夾(jia)雜(za)物(wu)和晶粒(li)度(du)檢(jian)查(cha)以避(bi)免(mian)夾(jia)雜(za)物(wu)超標和保(bao)證細晶粒(li)要求(qiu)；當選(xuan)用標準未(wei)推薦(jian)材料，或(huo)改變材料的(de)(de)制(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)，或(huo)選(xuan)用無使用經驗的(de)(de)材料時，要對材料進行抗(kang)SSCC性能評(ping)定試驗；殼體(ti)(ti)用鋼(gang)板的(de)(de)腐蝕裕(yu)量(liang)不得小于3mm；不得采用銅(tong)及各種(zhong)銅(tong)合金(jin)；不允(yun)許存(cun)在(zai)鐵素(su)體(ti)(ti)鋼(gang)或(huo)雙相(xiang)不銹(xiu)鋼(gang)與奧氏體(ti)(ti)銅(tong)之間的(de)(de)異種(zhong)金(jin)屬焊(han)接接頭等。
碳鋼(gang)和低合金鋼(gang)在其他應(ying)力(li)腐蝕開裂環境中(zhong)的(de)(de)控制措(cuo)(cuo)施(shi)與上(shang)述控制硫裂措(cuo)(cuo)施(shi)基本相同。因壓力(li)容器設計和使用(yong)(yong)過程(cheng)中(zhong)，“應(ying)力(li)集中(zhong)”和“介質濃(nong)縮”是兩個無法避免且(qie)十分重要的(de)(de)因素，并與結(jie)構設計密切相關(guan)，所(suo)(suo)以(yi)(yi)資料中(zhong)給出的(de)(de)產生(sheng)應(ying)力(li)腐蝕開裂的(de)(de)臨界應(ying)力(li)和臨界濃(nong)度只(zhi)具有參考價值和相對意義，是可以(yi)(yi)接受的(de)(de)工程(cheng)控制指(zhi)標，或(huo)適合使用(yong)(yong)的(de)(de)實用(yong)(yong)措(cuo)(cuo)施(shi)。這也是工程(cheng)項目的(de)(de)復(fu)雜性(xing)所(suo)(suo)在。
其他常見的應力腐蝕開(kai)裂體系
① 碳鋼(gang)和低(di)合(he)金在液氨中的應力腐(fu)蝕開裂（氨脆）
純凈的液氨(an)(an)不會引(yin)起應(ying)(ying)力腐蝕開(kai)裂(lie)，當液氨(an)(an)中混(hun)入空氣（O0、N2、CO2），如(ru)化肥工(gong)業中的農(nong)用液氨(an)(an)，則(ze)會引(yin)發應(ying)(ying)力腐蝕開(kai)裂(lie)，在液相部位(wei)和氣相部位(wei)均(jun)會產生。如(ru)液氨(an)(an)中含水量超過0.2%，可抑制破(po)裂(lie)的產生。對(dui)焊縫進行消除殘余應(ying)(ying)力的熱處(chu)理，是必要的防護措施(shi)。
② 碳鋼在CO-CO2-H2O環(huan)境中(zhong)的(de)應力(li)腐蝕(shi)開(kai)裂
合成氨(an)、制氫(qing)的脫(tuo)碳系(xi)統、煤氣系(xi)統、有機合成及石油氣等工業(ye)中常發生(sheng)這類損傷事故(gu)。
③ 奧(ao)氏體不(bu)銹鋼(gang)在高溫水中的(de)應力腐蝕(shi)開裂
動(dong)力工業及(ji)核工業中，常發(fa)生這類損(sun)傷事故。溶解O2是促進因素，裂(lie)紋是晶間(jian)型，但如含有Cl-，則裂(lie)紋將呈穿晶型。
④ 碳鋼在硝酸鹽溶液(ye)、煤氣(qi)液(ye)、焦(jiao)爐氣(qi)中都對應力(li)腐蝕(shi)開裂敏感(gan)
如碳鋼在焦爐氣（以(yi)CH4和(he)H2為主，內含CO2、H2S、NH3、HCN、H2O）中(zhong)，35℃環(huan)境下，使用(yong)一年便發現裂紋。