奧氏體不銹鋼壓力管道的應(yīng)力腐蝕開裂及預(yù)防

袁穎

摘要：筆者主要對奧氏體不銹鋼壓力管道的應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及預(yù)防措施等進(jìn)行了分析討論，以期為壓力管道設(shè)計安裝單位？檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)以及化工企業(yè)在選材？檢驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)等方面提供參考。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;壓力管道;應(yīng)力腐蝕開裂

1奧氏體不銹鋼壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理

由于應(yīng)力腐蝕的影響因素較多，過程也比較復(fù)雜，因此對奧氏體不銹鋼壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理尚無較清晰的認(rèn)識。但對大量研究工作進(jìn)行分析可知，當(dāng)奧氏體不銹鋼壓力管道輸送的介質(zhì)為酸性氣體或液體時，其應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理以氫致應(yīng)力腐蝕開裂為主;當(dāng)輸送腐蝕介質(zhì)為中性或堿性的氣體或液體時，其應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理則主要遵循“滑移溶解斷裂”模型。

1.1氫致應(yīng)力腐蝕開裂

在拉應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散的作用下，氫元素向裂紋尖端區(qū)域聚集。同時，拉應(yīng)力導(dǎo)致的位錯運(yùn)動也會攜帶氫運(yùn)動，當(dāng)位錯受阻于其他缺陷或發(fā)生反應(yīng)時，氫元素將在這些位置上富集。氫元素具有使鈍化膜穩(wěn)定性顯著下降？加速陽極溶解等作用，在氫和拉應(yīng)力的協(xié)同作用下，材料的應(yīng)力腐蝕敏感性大大增加。由于氫和拉應(yīng)力的相互作用最強(qiáng)，故在最大拉應(yīng)力處聚集的氫最多，這促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋尖端加速向前擴(kuò)展。

由以上分析可知，氫致應(yīng)力腐蝕開裂是氫脆和應(yīng)力腐蝕協(xié)調(diào)作用的結(jié)果，奧氏體不銹鋼壓力管道氫致應(yīng)力腐蝕開裂敏感性取決于管道內(nèi)壁氫的有效性、氫在金屬及縫隙中的遷移率及氫在缺陷尖端的分布等因素。

1.2“滑移G溶解G斷裂”模型

在介質(zhì)氧化作用下，奧氏體不銹鋼壓力管道管壁覆蓋著一層耐腐蝕的鈍化膜，在拉應(yīng)力作用下，位錯沿著滑移面運(yùn)動至管壁表面，從而產(chǎn)生滑移臺階，導(dǎo)致鈍化膜局部斷裂而出現(xiàn)裸露金屬區(qū)域，這樣有膜與無膜的區(qū)域就形成了微電池腐蝕。由于輸送腐蝕介質(zhì)的作用，裸露金屬區(qū)域產(chǎn)生陽極溶解。鈍化膜不僅給應(yīng)力腐蝕過程提供陰極，還使陽極溶解集中在很小的裸露金屬縫隙區(qū)域。因此，鈍化膜破裂后，若裸露金屬區(qū)域一直處于活化狀態(tài)，則腐蝕必然會導(dǎo)致應(yīng)力集中，即裂紋尖端的出現(xiàn)，而拉應(yīng)力的作用則極大地加速了應(yīng)力集中區(qū)域的溶解，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕區(qū)快速縱向延伸，而橫向（與拉應(yīng)力平行）區(qū)域腐蝕則很慢甚至發(fā)生再鈍化。

2奧氏體不銹鋼壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素

2.1應(yīng)力的影響

應(yīng)力腐蝕開裂是拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)長期共存時引起的腐蝕破壞，該拉應(yīng)力可以是外加拉應(yīng)力，也可以是金屬內(nèi)部殘余拉應(yīng)力。奧氏體不銹鋼壓力管道在機(jī)械載荷？熱負(fù)荷等的作用下，整個管道或某些局部區(qū)域，如焊縫或熱影響區(qū)會產(chǎn)生不同的應(yīng)力。按應(yīng)力的來源不同，可將奧氏體不銹鋼壓力管道的應(yīng)力分為一次應(yīng)力？二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，其中一次應(yīng)力是外載荷作用下管道內(nèi)部產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪切應(yīng)力，二次應(yīng)力是管道形變受約束而產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪切應(yīng)力，峰值應(yīng)力是管道在載荷及結(jié)構(gòu)形狀的局部突變時引起的局部應(yīng)力集中。該3種應(yīng)力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力若在管道中長期存在，就會導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的產(chǎn)生。焊接、冷加工變形及安裝不當(dāng)是殘余拉應(yīng)力的主要來源，當(dāng)奧氏體不銹鋼壓力管道管壁存儲的拉應(yīng)力接近材料屈服強(qiáng)度時，管道應(yīng)力腐蝕開裂的速率會非?？?。

2.2輸送介質(zhì)腐蝕性能的影響

輸送介質(zhì)對奧氏體不銹鋼壓力管道的特定腐蝕性是其產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的前提條件之一，引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的常見腐蝕性介質(zhì)可分為以下幾方面：各種鹵化物和含鹵離子（如Cl-、F-等）的工業(yè)溶液和氣體，如HCl溶液、NaCl溶液、氫氟酸、氟硅酸等;含Cl-的水溶液及水蒸氣，如鹽水、海水、河水及海洋大氣等;堿性溶液，如NaOH，KOH等強(qiáng)堿溶液;含NO-3的溶液及氣體，如HNO3溶液、硝酸鹽等;含S2-，SO2-4，SO2-3及Sx O2-6等離子的酸性氣體或溶液，如H2S溶液、H2SO4溶液及硫酸鹽溶液等。

2.3運(yùn)行溫度的影響

溫度對奧氏體不銹鋼壓力管道的應(yīng)力腐蝕開裂主要起促進(jìn)和增速作用。溫度越高，介質(zhì)中的離子運(yùn)動越劇烈，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂加速。另外，由于碳？氮等元素導(dǎo)致奧氏體不銹鋼具有低溫韌脆轉(zhuǎn)變特性，因此溫度較低時，雖然應(yīng)力腐蝕速率變低，但在應(yīng)力腐蝕過程中更容易使奧氏體不銹鋼壓力管道發(fā)生脆性斷裂。

2.4氫元素的影響

由氫致應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理可知，氫降低了鈍化膜的穩(wěn)定性，使應(yīng)力腐蝕過程中的陽極溶解加速，因此氫元素能促進(jìn)奧氏體不銹鋼壓力管道的應(yīng)力腐蝕開裂。大量試驗(yàn)及工業(yè)事故證實(shí)，輸送介質(zhì)的pH越低，奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂就越快。

3奧氏體不銹鋼壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂的預(yù)防

3.1合理選用材料及焊條

要預(yù)防奧氏體不銹鋼壓力管道的應(yīng)力腐蝕開裂，管道材料和相應(yīng)的焊條選擇相當(dāng)重要。實(shí)踐及研究均表明，奧氏體不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕是有條件的。因此需要綜合考慮化工運(yùn)行系統(tǒng)、壓力管道的使用環(huán)境及輸送介質(zhì)成分等多種因素合理選擇奧氏體不銹鋼的成分。提高鉻、鎳等鈍化元素的含量對增強(qiáng)奧氏體不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能是相當(dāng)有益的。壓力管道傳輸?shù)慕橘|(zhì)中，含Cl-的溶液或氣體介質(zhì)占很大比例，對奧氏體不銹鋼壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂事故進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，由氯化物引起的事故超過80%，因此優(yōu)先考慮耐氯化物應(yīng)力腐蝕的材料是必要的。

3.2優(yōu)化焊接工藝

焊接過程中焊縫及熱影響區(qū)加熱和冷卻不均勻，從而導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)儲藏了大量的殘余應(yīng)力，這是奧氏體不銹鋼壓力管道焊縫產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的根本原因?；趭W氏體不銹鋼焊接的特殊性，在合理選用焊條的同時，還要優(yōu)化焊接工藝，采用合理的焊接順序和參數(shù)，使焊縫及熱影響區(qū)的殘余拉應(yīng)力降到最低，如焊接時采用小線流量的焊接參數(shù)，防止熱影響區(qū)過熱。

3.3避免產(chǎn)生應(yīng)力集中部位

應(yīng)力集中部位一般是奧氏體不銹鋼壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂的起點(diǎn)，因此在安裝過程中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生應(yīng)力集中部位，如避免強(qiáng)制性安裝，防止組裝過程中造成劃痕和灼痕。在焊接過程中應(yīng)避免出現(xiàn)咬邊、焊瘤、未焊透、未熔合、裂紋等易產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺陷。

3.4改變介質(zhì)成分以減弱腐蝕

輸送介質(zhì)的腐蝕性是奧氏體不銹鋼壓力管道產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的前提條件之一，因此可以采用降低其腐蝕性的方法以延緩管道應(yīng)力腐蝕開裂速率。常用的方法有在工藝允許的條件下降低輸送介質(zhì)中腐蝕性離子（如Cl-）的含量、添加緩蝕劑等。

4 結(jié)束語

在化工領(lǐng)域，輸送腐蝕性介質(zhì)的壓力管道常用的材料為奧氏體不銹鋼，而應(yīng)力腐蝕開裂是奧氏體不銹鋼壓力管道最主要的失效方式。上文主要對奧氏體不銹鋼壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理？主要影響因素及預(yù)防措施進(jìn)行了分析討論。

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（作者單位：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院）