壓力容器應力腐蝕選材要點
2021-09-30 05:28:16
hualin
應力腐蝕開(kai)裂
某種(zhong)金屬(shu)材料(liao)只有在(zai)特定(ding)的腐(fu)蝕(shi)(shi)環境中，才發生應(ying)力腐(fu)蝕(shi)(shi)開(kai)裂。下(xia)表(biao)是容易引起應(ying)力腐(fu)蝕(shi)(shi)開(kai)裂的壓(ya)力容器用鋼和腐(fu)蝕(shi)(shi)環境的組合。可(ke)見，幾乎每一種(zhong)材料(liao)都有可(ke)能發生應(ying)力腐(fu)蝕(shi)(shi)開(kai)裂。
根據上(shang)述應力腐(fu)蝕開裂特(te)征(zheng)，共同的防(fang)止途徑是：
①盡量(liang)消(xiao)(xiao)除拉應(ying)力(li)，或施加(jia)以壓應(ying)力(li)。設備(bei)機加(jia)工或焊(han)接后(hou)最好進(jin)行消(xiao)(xiao)除應(ying)力(li)退火，或進(jin)行噴丸處理等(deng)操作，造成表面(mian)壓應(ying)力(li)。
拉(la)應(ying)力(li)的(de)來(lai)源(yuan)有三(san)個：一是(shi)(shi)設備的(de)壓(ya)力(li)載荷(he)或(huo)非壓(ya)力(li)載荷(he)應(ying)力(li)（如熱應(ying)力(li)）；二(er)是(shi)(shi)加工制造(zao)和安裝過程(cheng)中(zhong)產生(sheng)的(de)殘余應(ying)力(li)；三(san)是(shi)(shi)腐(fu)蝕產物膨脹造(zao)成的(de)應(ying)力(li)，即(ji)：由于腐(fu)蝕產物體積比(bi)被腐(fu)蝕掉的(de)金屬的(de)體積大，所造(zao)成的(de)“楔(xie)入(ru)作用”。
②改變介質的腐蝕(shi)性，使其完全(quan)(quan)不腐蝕(shi)（包括使其進入穩定鈍態），或者(zhe)使其轉為全(quan)(quan)面腐蝕(shi)，均可以(yi)防止應力腐蝕(shi)開裂。前者(zhe)如使用緩蝕(shi)劑；后者(zhe)如對于(yu)可經(jing)常更換的零部件(jian)改變介質成分造成全(quan)(quan)面腐蝕(shi)。
③選(xuan)用耐應(ying)力腐蝕開裂的金屬材料。
④采(cai)用陰(yin)極(ji)保(bao)護(hu)。
堿(jian)脆
金(jin)(jin)屬(shu)在氫氧化(hua)(hua)(hua)鈉溶液中的(de)(de)(de)應力(li)(li)(li)腐蝕開裂(lie)稱堿(jian)脆(cui)。碳(tan)(tan)鋼(gang)、低(di)(di)合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)、不(bu)銹鋼(gang)等多種金(jin)(jin)屬(shu)材料皆可發生堿(jian)脆(cui)。氫氧化(hua)(hua)(hua)鈉濃(nong)度在5%以上的(de)(de)(de)全部濃(nong)度范圍內(nei)，碳(tan)(tan)鋼(gang)幾乎都可能產生堿(jian)脆(cui)；碳(tan)(tan)鋼(gang)及(ji)低(di)(di)合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)的(de)(de)(de)溫度和氫氧化(hua)(hua)(hua)鈉濃(nong)度超過曲線對應的(de)(de)(de)限定值時，焊后(hou)應進行消(xiao)除應力(li)(li)(li)熱處(chu)理。碳(tan)(tan)鋼(gang)及(ji)低(di)(di)合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)壓力(li)(li)(li)容(rong)器殼體用鋼(gang)板(ban)的(de)(de)(de)腐蝕裕量(liang)不(bu)得小于3mm，以增強耐(nai)均勻腐蝕能力(li)(li)(li)并降低(di)(di)殼體應力(li)(li)(li)水平。盛裝(zhuang)氫氧化(hua)(hua)(hua)鉀溶液的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)鋼(gang)及(ji)低(di)(di)合(he)金(jin)(jin)鋼(gang)焊制容(rong)器也應參照上述要求。
下圖所示的關系早在20世紀50年(nian)代初就已(yi)發表并成(cheng)為腐蝕著作引(yin)用最多(duo)的資料，但時至今日仍不斷發生(sheng)碳鋼設備的堿(jian)脆破壞事故，且環境溫度條件明顯地在破裂區（應力消(xiao)除）范圍。究其原因，有(you)些與加熱方(fang)式有(you)關，即以熱水加熱為主但是(shi)在冬季輔助(zhu)以蒸(zheng)汽加熱造成(cheng)了超(chao)溫（超(chao)過50℃）。解決(jue)措施可(ke)以考慮以下幾方(fang)面：改變加熱方(fang)式，重新考慮選材和熱處理(li)方(fang)案(an)；設置溫度檢測點防止超(chao)溫等(deng)。
對于奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)而言，氫氧化(hua)鈉(na)濃度(du)(du)在0. 1%以(yi)上時，18-8型奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)即可(ke)發生堿(jian)(jian)脆，以(yi)氫氧化(hua)鈉(na)濃度(du)(du)為40%時最危險，這(zhe)時發生堿(jian)(jian)脆的(de)溫度(du)(du)為115℃左右。當奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)中加入2%鉬時，則可(ke)使其堿(jian)(jian)脆界限縮小，并(bing)向堿(jian)(jian)的(de)高(gao)濃度(du)(du)區(qu)域(yu)移動。鎳和鎳基合金具有較高(gao)的(de)耐應力腐(fu)蝕性能，它的(de)堿(jian)(jian)脆范圍變得(de)狹(xia)窄，而且位于高(gao)溫濃堿(jian)(jian)區(qu)。
氯脆
氯(lv)離子(zi)不但(dan)能(neng)引起(qi)奧(ao)氏體不銹鋼孔(kong)蝕，更能(neng)引起(qi)應(ying)力(li)(li)腐蝕開(kai)裂(lie)。發(fa)(fa)(fa)生應(ying)力(li)(li)腐蝕開(kai)裂(lie)的(de)臨界(jie)氯(lv)離子(zi)濃度(du)隨溫度(du)的(de)上(shang)升而減小，高(gao)溫下，氯(lv)離子(zi)濃度(du)只要(yao)達到(dao)10-6，即能(neng)引起(qi)破裂(lie)。發(fa)(fa)(fa)生氯(lv)離子(zi)應(ying)力(li)(li)腐蝕開(kai)裂(lie)臨界(jie)溫度(du)為(wei)60℃。具有氯(lv)離子(zi)濃縮的(de)條件(jian)（反復(fu)蒸干、潤(run)濕）是(shi)最易(yi)發(fa)(fa)(fa)生破裂(lie)的(de)。壓力(li)(li)容器(qi)中發(fa)(fa)(fa)生奧(ao)氏體不銹鋼氯(lv)離子(zi)應(ying)力(li)(li)腐蝕開(kai)裂(lie)情況相當(dang)普遍(bian)。
奧氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)氧(yang)離子應力(li)腐(fu)蝕開裂不(bu)(bu)(bu)僅發生在(zai)設備(bei)的(de)內(nei)壁(bi)，在(zai)設備(bei)、管(guan)道(dao)外壁(bi)也時(shi)有(you)發生。空氣(qi)中總含有(you)氯(lv)(lv)化(hua)物，在(zai)海洋性大(da)氣(qi)和(he)工業區(qu)域大(da)氣(qi)中氯(lv)(lv)化(hua)物含量更高(gao)。大(da)氣(qi)中的(de)水分在(zai)奧氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)螺栓上凝結和(he)蒸發反(fan)復發生，就會造成螺栓表面的(de)氯(lv)(lv)化(hua)物濃縮。干濕(shi)交替對氯(lv)(lv)化(hua)物濃縮十分有(you)利，因此(ci)，處于干濕(shi)交替環境中的(de)不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)設備(bei)容(rong)易發生應力(li)腐(fu)蝕開裂。氯(lv)(lv)離子也可(ke)能來自于保溫材(cai)料(liao)(liao)中含有(you)的(de)雜質，或由于保溫層破損(sun)、進入(ru)的(de)雨水帶入(ru)并經過濃縮的(de)結果(guo)，例如(ru)石棉保溫材(cai)料(liao)(liao)。為避免奧氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)的(de)隔熱材(cai)料(liao)(liao)濕(shi)水后濃縮的(de)氯(lv)(lv)造成不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)應力(li)腐(fu)蝕，必要(yao)時(shi)可(ke)對隔熱材(cai)料(liao)(liao)含氯(lv)(lv)量作(zuo)出規定。
不銹鋼在連(lian)多硫酸中的應力(li)腐蝕(shi)開(kai)裂
在(zai)石油(you)煉制工業中，以加氫脫硫裝置為(wei)典型，不(bu)銹鋼連多硫酸（ H2SxO6，x=3~5）的(de)應力(li)(li)腐蝕(shi)開裂頗為(wei)引(yin)人注目。設備在(zai)正常(chang)運行(xing)時，受硫化(hua)氫腐蝕(shi)，生成(cheng)(cheng)的(de)硫化(hua)鐵，在(zai)停車檢修時，與(yu)空氣中的(de)氧及水反應生成(cheng)(cheng)了H2SxO6。在(zai)Cr-Ni奧氏體不(bu)銹鋼設備、管道的(de)殘余應力(li)(li)較大的(de)部位（焊縫熱(re)影響區，彎(wan)管部位等）產生應力(li)(li)腐蝕(shi)裂紋。
硫(liu)化物腐蝕破(po)裂(lie)（SSCC-硫(liu)裂(lie)）
金屬在同時含硫化(hua)(hua)(hua)氫(qing)及水的介質中(zhong)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)的應力(li)腐(fu)蝕開裂(lie)(lie)即為(wei)硫化(hua)(hua)(hua)物腐(fu)蝕開裂(lie)(lie)，簡稱硫裂(lie)(lie)。發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)硫裂(lie)(lie)所(suo)需的時間短則幾(ji)天(tian)，長則幾(ji)個月到幾(ji)年(nian)不(bu)等，但(dan)是未(wei)見超(chao)過(guo)十年(nian)發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)破(po)裂(lie)(lie)的事(shi)例。發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)硫裂(lie)(lie)所(suo)需的硫化(hua)(hua)(hua)氫(qing)濃(nong)度(du)很(hen)低，略超(chao)過(guo)10-6，甚至小于10-6。美(mei)國(guo)腐(fu)蝕工程師(shi)協會(hui)NACE以(yi)355Pa硫化(hua)(hua)(hua)氫(qing)分壓(ya)作為(wei)確定(ding)特定(ding)氣體(ti)成分（油田）是否處于硫裂(lie)(lie)潛伏區的判據。發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)硫裂(lie)(lie)所(suo)需的時間一(yi)般隨硫化(hua)(hua)(hua)氫(qing)濃(nong)度(du)增(zeng)(zeng)大而縮短。隨著硫化(hua)(hua)(hua)氫(qing)濃(nong)度(du)增(zeng)(zeng)大，臨界應力(li)值降低。
碳鋼(gang)和低(di)合(he)金鋼(gang)在20~40℃溫度范圍內對硫(liu)裂的敏感性最(zui)大，但奧氏體不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)的硫(liu)裂大多發生在高(gao)溫環境，隨著溫度升高(gao)，奧氏體不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)的硫(liu)裂敏感性增(zeng)強。
在含硫(liu)化(hua)氫及水的介質中，如果同時含醋(cu)酸，或者二氧化(hua)碳(tan)和氯化(hua)鈉，或磷(lin)化(hua)氫，或砷(shen)、硒、銻、碲的化(hua)合物或氯離(li)子，則對鋼的硫(liu)裂起促進作用。
對于奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼的硫(liu)裂，氯離子和氧起促(cu)進作(zuo)用，304L和316L不(bu)銹(xiu)鋼對硫(liu)裂的敏感(gan)性有(you)如(ru)下(xia)的關(guan)系(xi)：H2S+H2O< H2S+ H2O+CI- <H2S+ H2O+Cl-+O2（破裂的敏感(gan)性由弱到強）。
對于碳鋼和低合金(jin)鋼來說，淬火(huo)(huo)(huo)(huo)加回(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)的金(jin)相組織(zhi)(zhi)抗硫裂最好，未回(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)馬氏體組織(zhi)(zhi)最差。鋼抗硫裂性(xing)能依淬火(huo)(huo)(huo)(huo)+回(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)組織(zhi)(zhi)、正火(huo)(huo)(huo)(huo)+回(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)組織(zhi)(zhi)、正火(huo)(huo)(huo)(huo)組織(zhi)(zhi)、未回(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)馬氏體組織(zhi)(zhi)的順序遞降。
鋼(gang)的強(qiang)度(du)越高(gao)，越容易(yi)發生硫裂。鋼(gang)的硬度(du)值越高(gao)，越容易(yi)發生硫裂。NACE標準規定，含流(liu)油、氣(qi)田用(yong)鋼(gang)的HRC<22。現國際(ji)上普(pu)遍采用(yong)它作(zuo)為碳鋼(gang)和低合金鋼(gang)在濕硫化氫環境(jing)中使用(yong)的標準。這并沒有什么理論根據，只是現場(chang)經驗(yan)的總結(jie)。例外的情況是極個(ge)別的。
焊(han)縫特別(bie)是(shi)熔(rong)合線是(shi)最容易發(fa)生硫(liu)裂(lie)的(de)(de)部(bu)位(wei)，因為這里的(de)(de)硬(ying)度最高(gao)。NACE對碳(tan)鋼焊(han)縫的(de)(de)硬(ying)度作(zuo)了嚴格的(de)(de)規定：HB≤200。焊(han)縫部(bu)位(wei)常發(fa)生破(po)裂(lie)，一方面是(shi)由(you)于(yu)焊(han)接殘余應力的(de)(de)作(zuo)用，另一方面是(shi)由(you)于(yu)焊(han)縫金屬、熔(rong)合線及熱影響區出現淬(cui)硬(ying)組織的(de)(de)結果。為防止硫(liu)裂(lie)，焊(han)后進行(xing)有效(xiao)的(de)(de)熱處理（適當增加625℃±25℃保溫時間）是(shi)十分必要的(de)(de)。
控(kong)制硫裂措施：在(zai)硫裂環(huan)境中的(de)受(shou)壓元件不宜選用(yong)(yong)(yong)18-8型奧氏體(ti)(ti)不銹鋼(gang)和標準抗拉(la)強度大于(yu)540MPa的(de)碳鋼(gang)和低(di)合金(jin)鋼(gang)；降(jiang)低(di)鋼(gang)板中S、P含量(liang)(liang)；增加非金(jin)屬(shu)(shu)夾(jia)雜(za)物(wu)和晶粒(li)度檢(jian)查以(yi)避免夾(jia)雜(za)物(wu)超標和保證細晶粒(li)要求；當選用(yong)(yong)(yong)標準未推薦(jian)材料(liao)(liao)，或(huo)改變(bian)材料(liao)(liao)的(de)制造工藝(yi)，或(huo)選用(yong)(yong)(yong)無使用(yong)(yong)(yong)經(jing)驗的(de)材料(liao)(liao)時，要對(dui)材料(liao)(liao)進行抗SSCC性能(neng)評(ping)定試驗；殼體(ti)(ti)用(yong)(yong)(yong)鋼(gang)板的(de)腐蝕裕量(liang)(liang)不得(de)小于(yu)3mm；不得(de)采用(yong)(yong)(yong)銅及各種銅合金(jin)；不允許存在(zai)鐵素體(ti)(ti)鋼(gang)或(huo)雙相不銹鋼(gang)與奧氏體(ti)(ti)銅之間的(de)異種金(jin)屬(shu)(shu)焊接接頭等。
碳(tan)鋼和(he)(he)低合金鋼在其他應力(li)腐蝕(shi)開(kai)裂(lie)環境中的(de)控(kong)(kong)制措(cuo)施(shi)與(yu)上述(shu)控(kong)(kong)制硫裂(lie)措(cuo)施(shi)基本相同。因(yin)壓力(li)容器設計(ji)和(he)(he)使用(yong)過(guo)程中，“應力(li)集中”和(he)(he)“介(jie)質濃縮”是(shi)兩個無法避(bi)免且(qie)十分重要(yao)的(de)因(yin)素，并與(yu)結構設計(ji)密切(qie)相關，所以(yi)資料中給出(chu)的(de)產(chan)生應力(li)腐蝕(shi)開(kai)裂(lie)的(de)臨界應力(li)和(he)(he)臨界濃度只具有(you)參考(kao)價值和(he)(he)相對意義，是(shi)可(ke)以(yi)接(jie)受的(de)工(gong)程控(kong)(kong)制指標，或適合使用(yong)的(de)實用(yong)措(cuo)施(shi)。這(zhe)也(ye)是(shi)工(gong)程項目(mu)的(de)復(fu)雜性所在。
其他常見的應力腐(fu)蝕開(kai)裂體系(xi)
①碳鋼和低合(he)金在(zai)液氨中的應力(li)腐蝕開裂(lie)（氨脆）
純凈(jing)的(de)(de)液(ye)(ye)氨(an)(an)不會(hui)引(yin)起應力(li)腐(fu)(fu)蝕開裂，當液(ye)(ye)氨(an)(an)中(zhong)混入空氣(qi)（O0、N2、CO2），如化肥工業中(zhong)的(de)(de)農用液(ye)(ye)氨(an)(an)，則(ze)會(hui)引(yin)發應力(li)腐(fu)(fu)蝕開裂，在液(ye)(ye)相部(bu)位(wei)和氣(qi)相部(bu)位(wei)均會(hui)產生。如液(ye)(ye)氨(an)(an)中(zhong)含水量(liang)超過0. 2%，可抑(yi)制破(po)裂的(de)(de)產生。對焊縫進行消(xiao)除殘(can)余應力(li)的(de)(de)熱處理，是必(bi)要的(de)(de)防護措施。
②碳鋼在CO-CO2 -H2O環境中(zhong)的應力腐蝕開裂
合(he)成(cheng)氨、制氫(qing)的脫碳系統、煤(mei)氣系統、有機合(he)成(cheng)及石油氣等工業(ye)中常發生這類(lei)損傷事故。
③奧氏體不銹鋼在高溫水(shui)中的應(ying)力腐蝕(shi)開裂
動力工(gong)業(ye)及核工(gong)業(ye)中，常(chang)發生這類損傷(shang)事(shi)故。溶(rong)解O2是(shi)促(cu)進因素，裂紋(wen)是(shi)晶(jing)間(jian)型，但(dan)如(ru)含有Cl-，則裂紋(wen)將呈穿晶(jing)型。
④碳鋼在硝酸鹽溶液、煤氣液、焦爐(lu)氣中都對(dui)應力腐蝕開裂敏感。
如碳鋼(gang)在焦爐(lu)氣（以CH4和H2為主(zhu)，內含CO2、H2S、NH3、HCN、H2O）中，35℃環境下(xia)，使用一(yi)年便(bian)發現裂紋。