壓力容器應力腐蝕選材要點
2021-10-12 01:50:36
hualin
應力腐(fu)蝕開裂
某種金屬材料只有在(zai)特定的(de)腐(fu)蝕環(huan)境中(zhong)，才發生應(ying)(ying)力腐(fu)蝕開裂。下(xia)表是容(rong)易引起應(ying)(ying)力腐(fu)蝕開裂的(de)壓力容(rong)器用鋼和腐(fu)蝕環(huan)境的(de)組合。可見，幾(ji)乎(hu)每一種材料都有可能發生應(ying)(ying)力腐(fu)蝕開裂。
根據上述應力腐蝕開裂(lie)特征，共同的防(fang)止途徑是：
①盡量消(xiao)除(chu)拉應力(li)，或施(shi)加以壓應力(li)。設(she)備機加工或焊接(jie)后最好進(jin)行(xing)消(xiao)除(chu)應力(li)退火，或進(jin)行(xing)噴丸處(chu)理等操作，造成表(biao)面壓應力(li)。
拉應力(li)的來(lai)源有三個：一是設備的壓力(li)載荷(he)或非(fei)壓力(li)載荷(he)應力(li)（如熱應力(li)）；二是加工(gong)制(zhi)造(zao)和安(an)裝(zhuang)過程中產(chan)生的殘余應力(li)；三是腐(fu)蝕產(chan)物膨脹造(zao)成(cheng)的應力(li)，即：由于(yu)腐(fu)蝕產(chan)物體(ti)積比被腐(fu)蝕掉的金屬的體(ti)積大，所造(zao)成(cheng)的“楔入作用(yong)”。
②改變介質的(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)性，使(shi)(shi)其完全(quan)不腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)（包括(kuo)使(shi)(shi)其進入穩定鈍態），或者(zhe)使(shi)(shi)其轉為全(quan)面腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)，均可以防止應(ying)力腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)開裂。前者(zhe)如使(shi)(shi)用(yong)緩蝕(shi)(shi)(shi)劑；后者(zhe)如對于可經常更換的(de)零部件(jian)改變介質成分造成全(quan)面腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)。
③選用耐應(ying)力腐(fu)蝕開裂的金屬材料。
④采用陰極保護。
堿脆
金屬在(zai)氫氧化(hua)鈉(na)(na)溶液(ye)(ye)中的應力(li)腐蝕(shi)開裂稱堿(jian)(jian)脆(cui)。碳鋼(gang)(gang)、低(di)合金鋼(gang)(gang)、不(bu)銹鋼(gang)(gang)等多種金屬材(cai)料皆可(ke)發生堿(jian)(jian)脆(cui)。氫氧化(hua)鈉(na)(na)濃(nong)度(du)在(zai)5%以上的全部濃(nong)度(du)范圍內，碳鋼(gang)(gang)幾乎都可(ke)能(neng)產生堿(jian)(jian)脆(cui)；碳鋼(gang)(gang)及低(di)合金鋼(gang)(gang)的溫(wen)度(du)和氫氧化(hua)鈉(na)(na)濃(nong)度(du)超過(guo)曲線對應的限(xian)定值時，焊(han)后應進行消(xiao)除(chu)應力(li)熱(re)處理。碳鋼(gang)(gang)及低(di)合金鋼(gang)(gang)壓力(li)容(rong)器(qi)殼體用鋼(gang)(gang)板的腐蝕(shi)裕(yu)量不(bu)得小于3mm，以增(zeng)強耐(nai)均勻腐蝕(shi)能(neng)力(li)并降低(di)殼體應力(li)水平。盛裝氫氧化(hua)鉀溶液(ye)(ye)的碳鋼(gang)(gang)及低(di)合金鋼(gang)(gang)焊(han)制容(rong)器(qi)也(ye)應參(can)照上述要求。
下圖所示的(de)關系早在20世紀50年代初(chu)就已發表并成(cheng)為腐蝕著作引用最多的(de)資(zi)料，但(dan)時(shi)至(zhi)今日仍不斷(duan)發生(sheng)碳鋼設(she)備的(de)堿脆破壞事(shi)故，且(qie)環(huan)境(jing)溫度條件(jian)明(ming)顯(xian)地在破裂區（應力消除）范圍。究其原因，有些(xie)與加(jia)(jia)熱(re)方(fang)式(shi)有關，即以(yi)熱(re)水加(jia)(jia)熱(re)為主但(dan)是在冬季輔助(zhu)以(yi)蒸汽加(jia)(jia)熱(re)造成(cheng)了超(chao)溫（超(chao)過50℃）。解決措施可以(yi)考慮以(yi)下幾方(fang)面：改變加(jia)(jia)熱(re)方(fang)式(shi)，重新(xin)考慮選材和(he)熱(re)處理方(fang)案；設(she)置溫度檢測點(dian)防止超(chao)溫等。
對于奧(ao)氏(shi)(shi)體不銹(xiu)鋼而言，氫氧(yang)化(hua)鈉濃度(du)在0. 1%以上(shang)時(shi)，18-8型(xing)奧(ao)氏(shi)(shi)體不銹(xiu)鋼即(ji)可發生(sheng)堿脆，以氫氧(yang)化(hua)鈉濃度(du)為40%時(shi)最危險，這時(shi)發生(sheng)堿脆的(de)溫(wen)度(du)為115℃左(zuo)右(you)。當(dang)奧(ao)氏(shi)(shi)體不銹(xiu)鋼中加入2%鉬時(shi)，則可使其堿脆界限縮小(xiao)，并向堿的(de)高(gao)濃度(du)區(qu)(qu)域移動。鎳和鎳基合金具有較高(gao)的(de)耐應力腐蝕性能(neng)，它的(de)堿脆范圍變得(de)狹窄，而且位于高(gao)溫(wen)濃堿區(qu)(qu)。
氯脆
氯離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)不(bu)但(dan)能(neng)引(yin)起(qi)奧(ao)氏(shi)體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼孔蝕(shi)(shi)，更能(neng)引(yin)起(qi)應力腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)開(kai)裂(lie)。發(fa)生應力腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)開(kai)裂(lie)的臨(lin)界(jie)氯離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)濃(nong)度隨溫度的上升而減小，高(gao)溫下，氯離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)濃(nong)度只(zhi)要達到10-6，即(ji)能(neng)引(yin)起(qi)破裂(lie)。發(fa)生氯離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)應力腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)開(kai)裂(lie)臨(lin)界(jie)溫度為60℃。具(ju)有氯離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)濃(nong)縮的條(tiao)件（反(fan)復(fu)蒸干、潤濕）是最(zui)易發(fa)生破裂(lie)的。壓力容(rong)器中發(fa)生奧(ao)氏(shi)體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼氯離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)應力腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)開(kai)裂(lie)情況相當普遍(bian)。
奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)不銹鋼(gang)(gang)氧離子(zi)應力腐(fu)蝕開裂不僅(jin)發生(sheng)(sheng)在設(she)備(bei)的(de)(de)內壁，在設(she)備(bei)、管道外壁也(ye)時(shi)有發生(sheng)(sheng)。空(kong)氣中(zhong)總含有氯(lv)(lv)化(hua)物(wu)，在海洋性大氣和工業區域大氣中(zhong)氯(lv)(lv)化(hua)物(wu)含量更高。大氣中(zhong)的(de)(de)水分(fen)在奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)不銹鋼(gang)(gang)螺栓(shuan)上凝結和蒸發反復(fu)發生(sheng)(sheng)，就會造(zao)成螺栓(shuan)表面(mian)的(de)(de)氯(lv)(lv)化(hua)物(wu)濃縮。干(gan)濕(shi)交替(ti)對氯(lv)(lv)化(hua)物(wu)濃縮十(shi)分(fen)有利(li)，因此，處于干(gan)濕(shi)交替(ti)環境中(zhong)的(de)(de)不銹鋼(gang)(gang)設(she)備(bei)容易(yi)發生(sheng)(sheng)應力腐(fu)蝕開裂。氯(lv)(lv)離子(zi)也(ye)可能來自于保溫材(cai)(cai)料(liao)(liao)中(zhong)含有的(de)(de)雜質，或由于保溫層破損(sun)、進入(ru)的(de)(de)雨水帶(dai)入(ru)并(bing)經過(guo)濃縮的(de)(de)結果(guo)，例如(ru)石棉保溫材(cai)(cai)料(liao)(liao)。為避(bi)免奧氏(shi)(shi)(shi)體(ti)不銹鋼(gang)(gang)的(de)(de)隔(ge)熱材(cai)(cai)料(liao)(liao)濕(shi)水后濃縮的(de)(de)氯(lv)(lv)造(zao)成不銹鋼(gang)(gang)應力腐(fu)蝕，必要時(shi)可對隔(ge)熱材(cai)(cai)料(liao)(liao)含氯(lv)(lv)量作出規定。
不銹鋼在連多硫酸(suan)中(zhong)的應力腐蝕開(kai)裂
在石油煉制工業中，以加氫脫硫(liu)裝置為典(dian)型，不銹鋼連多硫(liu)酸（ H2SxO6，x=3~5）的應力腐蝕開裂頗為引人注目。設(she)備(bei)在正常運行時，受硫(liu)化(hua)氫腐蝕，生成的硫(liu)化(hua)鐵，在停車檢修時，與(yu)空氣中的氧及水反應生成了H2SxO6。在Cr-Ni奧氏體(ti)不銹鋼設(she)備(bei)、管(guan)道的殘余應力較大的部位(wei)（焊(han)縫(feng)熱影響區，彎管(guan)部位(wei)等）產生應力腐蝕裂紋。
硫(liu)化物腐蝕破裂(lie)（SSCC-硫(liu)裂(lie)）
金屬在同時含硫(liu)(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)及水的(de)介質中發(fa)生(sheng)(sheng)的(de)應(ying)力(li)腐蝕開裂(lie)即(ji)為硫(liu)(liu)(liu)(liu)化(hua)物腐蝕開裂(lie)，簡稱硫(liu)(liu)(liu)(liu)裂(lie)。發(fa)生(sheng)(sheng)硫(liu)(liu)(liu)(liu)裂(lie)所需的(de)時間短則(ze)幾天，長則(ze)幾個月(yue)到幾年(nian)不等，但是未(wei)見超(chao)過十年(nian)發(fa)生(sheng)(sheng)破(po)裂(lie)的(de)事例。發(fa)生(sheng)(sheng)硫(liu)(liu)(liu)(liu)裂(lie)所需的(de)硫(liu)(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)濃度(du)很低(di)，略超(chao)過10-6，甚至(zhi)小于10-6。美(mei)國腐蝕工程師協(xie)會NACE以355Pa硫(liu)(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)分壓作為確定特定氣體(ti)成(cheng)分（油田）是否處于硫(liu)(liu)(liu)(liu)裂(lie)潛(qian)伏區(qu)的(de)判據(ju)。發(fa)生(sheng)(sheng)硫(liu)(liu)(liu)(liu)裂(lie)所需的(de)時間一般隨(sui)硫(liu)(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)濃度(du)增大而縮短。隨(sui)著硫(liu)(liu)(liu)(liu)化(hua)氫(qing)濃度(du)增大，臨界應(ying)力(li)值降低(di)。
碳鋼(gang)和(he)低合金鋼(gang)在20~40℃溫(wen)度(du)范(fan)圍內(nei)對硫裂的敏(min)感(gan)性最大(da)，但奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼(gang)的硫裂大(da)多發(fa)生在高溫(wen)環(huan)境(jing)，隨著溫(wen)度(du)升高，奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼(gang)的硫裂敏(min)感(gan)性增強(qiang)。
在(zai)含硫化(hua)氫及(ji)水的介質中(zhong)，如(ru)果同時含醋酸，或(huo)(huo)者二氧化(hua)碳和氯(lv)化(hua)鈉，或(huo)(huo)磷(lin)化(hua)氫，或(huo)(huo)砷、硒、銻、碲的化(hua)合物或(huo)(huo)氯(lv)離(li)子，則(ze)對鋼的硫裂起促進作用。
對于奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼的硫裂，氯離(li)子(zi)和(he)(he)氧起促進作(zuo)用(yong)，304L和(he)(he)316L不銹(xiu)鋼對硫裂的敏感性有如下(xia)的關(guan)系：H2S+H2O< H2S+ H2O+CI- <H2S+ H2O+Cl-+O2（破裂的敏感性由弱到(dao)強）。
對(dui)于(yu)碳鋼(gang)和低(di)合金鋼(gang)來說，淬(cui)(cui)火(huo)(huo)加回火(huo)(huo)的金相組(zu)織抗硫裂最好，未(wei)回火(huo)(huo)馬氏體組(zu)織最差。鋼(gang)抗硫裂性(xing)能(neng)依(yi)淬(cui)(cui)火(huo)(huo)+回火(huo)(huo)組(zu)織、正火(huo)(huo)+回火(huo)(huo)組(zu)織、正火(huo)(huo)組(zu)織、未(wei)回火(huo)(huo)馬氏體組(zu)織的順序遞降(jiang)。
鋼(gang)的(de)(de)強度(du)越(yue)(yue)高，越(yue)(yue)容易發生(sheng)硫(liu)裂(lie)。鋼(gang)的(de)(de)硬度(du)值越(yue)(yue)高，越(yue)(yue)容易發生(sheng)硫(liu)裂(lie)。NACE標準規定，含流油、氣田用鋼(gang)的(de)(de)HRC<22。現國際上普遍采用它(ta)作為碳鋼(gang)和低合金(jin)鋼(gang)在濕(shi)硫(liu)化氫環境中使用的(de)(de)標準。這并(bing)沒有什(shen)么(me)理論(lun)根(gen)據，只是(shi)現場經(jing)驗(yan)的(de)(de)總結。例外的(de)(de)情況是(shi)極個(ge)別的(de)(de)。
焊(han)縫特(te)別是熔合線(xian)是最(zui)容易發(fa)生硫裂(lie)的(de)部(bu)位，因(yin)為(wei)這里的(de)硬(ying)度最(zui)高(gao)。NACE對(dui)碳鋼焊(han)縫的(de)硬(ying)度作(zuo)了嚴格的(de)規定：HB≤200。焊(han)縫部(bu)位常發(fa)生破裂(lie)，一(yi)方面是由于焊(han)接殘余應力的(de)作(zuo)用，另一(yi)方面是由于焊(han)縫金屬、熔合線(xian)及熱影(ying)響區(qu)出現淬硬(ying)組織的(de)結果。為(wei)防止硫裂(lie)，焊(han)后進(jin)行有(you)效的(de)熱處(chu)理（適當增加625℃±25℃保(bao)溫時(shi)間）是十分必要的(de)。
控制硫裂措施：在硫裂環(huan)境(jing)中的(de)受壓元件(jian)不(bu)(bu)(bu)宜選(xuan)用(yong)(yong)18-8型奧(ao)氏(shi)體不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)和(he)標(biao)準(zhun)(zhun)抗(kang)拉強度大于(yu)540MPa的(de)碳(tan)鋼(gang)(gang)和(he)低合金(jin)(jin)鋼(gang)(gang)；降低鋼(gang)(gang)板中S、P含量(liang)；增(zeng)加(jia)非金(jin)(jin)屬(shu)夾雜(za)物(wu)和(he)晶粒度檢查以避免夾雜(za)物(wu)超(chao)標(biao)和(he)保(bao)證細晶粒要求；當選(xuan)用(yong)(yong)標(biao)準(zhun)(zhun)未推薦材料，或改變(bian)材料的(de)制造(zao)工藝，或選(xuan)用(yong)(yong)無使用(yong)(yong)經驗的(de)材料時(shi)，要對材料進(jin)行抗(kang)SSCC性(xing)能評定(ding)試驗；殼(ke)體用(yong)(yong)鋼(gang)(gang)板的(de)腐(fu)蝕(shi)裕(yu)量(liang)不(bu)(bu)(bu)得(de)小(xiao)于(yu)3mm；不(bu)(bu)(bu)得(de)采用(yong)(yong)銅(tong)及各種銅(tong)合金(jin)(jin)；不(bu)(bu)(bu)允許(xu)存在鐵素體鋼(gang)(gang)或雙(shuang)相不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)與奧(ao)氏(shi)體銅(tong)之間(jian)的(de)異(yi)種金(jin)(jin)屬(shu)焊接(jie)接(jie)頭等。
碳鋼(gang)和(he)低合金鋼(gang)在其他(ta)應(ying)力腐蝕(shi)開裂(lie)環境中(zhong)的(de)控(kong)制措施與上述(shu)控(kong)制硫裂(lie)措施基(ji)本相同。因(yin)壓(ya)力容器設計和(he)使用過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)，“應(ying)力集中(zhong)”和(he)“介質濃縮”是(shi)兩個無法避免且十(shi)分重(zhong)要的(de)因(yin)素，并與結構(gou)設計密(mi)切(qie)相關，所(suo)以資料中(zhong)給出的(de)產生應(ying)力腐蝕(shi)開裂(lie)的(de)臨界應(ying)力和(he)臨界濃度(du)只具有參考(kao)價值和(he)相對(dui)意義，是(shi)可(ke)以接受的(de)工(gong)程(cheng)(cheng)控(kong)制指(zhi)標(biao)，或適合使用的(de)實用措施。這也是(shi)工(gong)程(cheng)(cheng)項(xiang)目的(de)復雜性所(suo)在。
其他常見的(de)應力腐蝕開(kai)裂(lie)體系
①碳鋼和(he)低合金在(zai)液(ye)氨(an)中的應力腐蝕開裂(lie)（氨(an)脆(cui)）
純凈的(de)(de)液(ye)氨(an)不會(hui)(hui)引起應力腐(fu)蝕(shi)開裂，當液(ye)氨(an)中(zhong)混入空(kong)氣（O0、N2、CO2），如化肥(fei)工業中(zhong)的(de)(de)農用液(ye)氨(an)，則會(hui)(hui)引發應力腐(fu)蝕(shi)開裂，在液(ye)相(xiang)部位和氣相(xiang)部位均會(hui)(hui)產(chan)生。如液(ye)氨(an)中(zhong)含水(shui)量超過(guo)0. 2%，可抑制(zhi)破(po)裂的(de)(de)產(chan)生。對(dui)焊縫進行消(xiao)除殘(can)余應力的(de)(de)熱處理(li)，是必要的(de)(de)防護措施。
②碳鋼在CO-CO2 -H2O環境中的應力腐蝕(shi)開(kai)裂(lie)
合成(cheng)氨、制氫的脫(tuo)碳系(xi)統、煤氣系(xi)統、有(you)機合成(cheng)及石油氣等工業中常發生這類損傷事故。
③奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼在(zai)高溫水中的(de)應力(li)腐蝕開裂
動力工(gong)業(ye)(ye)及核工(gong)業(ye)(ye)中，常(chang)發(fa)生這(zhe)類損傷事(shi)故(gu)。溶(rong)解O2是促進因(yin)素，裂紋是晶間型，但(dan)如含有Cl-，則裂紋將呈(cheng)穿晶型。
④碳鋼在(zai)硝酸鹽溶液、煤氣液、焦爐氣中都(dou)對應力腐蝕開裂敏感。
如(ru)碳鋼在焦爐氣（以CH4和H2為主，內含CO2、H2S、NH3、HCN、H2O）中，35℃環境下，使用一年便發現裂紋。