惠勝 宋振廷

1、摘要

壓力容器總是在一定環(huán)境介質(zhì)中工作。環(huán)境對(duì)材料的力學(xué)性能往往有著重要的影響。有時(shí)腐蝕性很弱的介質(zhì)，像水、潮濕空氣也能起很大的作用。介質(zhì)與應(yīng)力的協(xié)同作用，常比他們的單獨(dú)作用或者二者簡(jiǎn)單地疊加更為嚴(yán)重。應(yīng)力與化學(xué)介質(zhì)協(xié)同作用引起材料力學(xué)性能下降，甚至發(fā)生提早斷裂的現(xiàn)象，稱為材料的環(huán)境敏感斷裂。

壓力容器在使用過程中的受力是多種多樣的，入拉伸應(yīng)力、交變應(yīng)力、摩擦力、振動(dòng)力等。不同狀態(tài)的應(yīng)力與介質(zhì)的協(xié)同作用所造成的環(huán)境敏感斷裂形式各不相同，據(jù)此可以將它們分為應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞、磨損腐蝕和微動(dòng)腐蝕等等。在靜載荷作用下的環(huán)境敏感斷裂有應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂。從破壞機(jī)理來看，應(yīng)力腐蝕斷裂可能是裂紋尖端陽(yáng)極溶解引起的，也可能是陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫進(jìn)入金屬引起的。氫可以導(dǎo)致材料的其他形式破壞，如氫鼓泡、氫腐蝕等等。為了說明氫的作用，由氫造成的材料性能的蛻變，統(tǒng)稱為氫損傷或廣義氫脆。在交變載荷作用下的環(huán)境敏感斷裂，稱之為腐蝕疲勞。

2、應(yīng)力腐蝕斷裂的基本條件及形貌特征

材料在靜應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的脆性斷裂稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。通常應(yīng)力腐蝕斷裂所需的應(yīng)力是很小的。假如不是處于特定的腐蝕介質(zhì)中，這樣小的應(yīng)力是不可能使材料發(fā)生斷裂的。反之，如果沒有應(yīng)力存在，則材料在這種環(huán)境介質(zhì)中所受的腐蝕也是輕微的[1]。

應(yīng)力腐蝕有三個(gè)基本特征：

（1）必須有應(yīng)力，特別是拉伸應(yīng)力的作用。拉伸應(yīng)力愈大，斷裂所需的時(shí)機(jī)愈短。斷裂所需的應(yīng)力，一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。壓力容器的應(yīng)力大致分為4種：

1.作用應(yīng)力，即壓力容器的設(shè)備和部件在工作環(huán)境中所受的外部載荷;

2.殘余應(yīng)力，即壓力容器在生產(chǎn)和設(shè)備制造過程中在材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力;

3.熱應(yīng)力，即溫度不均勻而產(chǎn)生的應(yīng)力集中;

4.結(jié)構(gòu)應(yīng)力，即壓力容器在安裝和裝配過程中引起的應(yīng)力。

而壓力容器在制造過加工，以及使用過程中的操作工藝、使用條件和設(shè)備結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)出一定的應(yīng)力，其中焊接過程所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力是不可避免的，會(huì)使壓力容器引起局部腐蝕，加速應(yīng)力腐蝕斷裂，是壓力容器產(chǎn)生泄露甚至爆炸事故。

（2）對(duì)于一定成分的合金，只有在特定介質(zhì)中才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。如奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中具有很高的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性，而鐵素體不銹鋼對(duì)此卻不敏感。常用金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的環(huán)境介質(zhì)組合如表2-1。

大多數(shù)壓力容器在敏感環(huán)境介質(zhì)的環(huán)境中運(yùn)行，跟容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，減短了它們的使用壽命。

（3）應(yīng)力腐蝕斷裂斷口一般屬于脆斷型。應(yīng)力腐蝕通常只有一條主裂紋，但形成多分支裂紋可以是沿晶屆擴(kuò)展的，也可以是穿晶型，甚至兼有兩種形式的混合型。如圖2-2。

3應(yīng)力腐蝕的控制。

壓力容器應(yīng)力腐蝕斷裂發(fā)生非常緩和的介質(zhì)和不大的應(yīng)力狀態(tài)下，而且往往事先沒有明顯的預(yù)兆，因此常造成災(zāi)難性的事故。而應(yīng)力腐蝕斷裂是材料與環(huán)境介質(zhì)、力學(xué)因素等三個(gè)方面協(xié)同作用的結(jié)果，預(yù)防和降低合金應(yīng)力腐蝕斷裂的傾向，也應(yīng)當(dāng)從這三個(gè)方面采取措施。

（1）改善條件：這可從兩方面考慮，一方面設(shè)法消除或減少促進(jìn)應(yīng)力腐蝕斷裂的有害化學(xué)物質(zhì)，例如通過水凈化處理，降低冷卻水與蒸汽水中的氯離子，對(duì)于防止奧氏體不繡鋼的氫脆十分有效;另一方面在某些環(huán)境介質(zhì)中加入適當(dāng)?shù)木彌_劑，能有效地防止應(yīng)力腐蝕斷裂，例如防止鍋爐鋼的堿脆，可采用硝酸鹽或亞硫酸鹽紙漿作緩蝕劑。

（2）降低或消除零件內(nèi)的殘余拉應(yīng)力：設(shè)計(jì)上盡量減少構(gòu)件的應(yīng)力集中效應(yīng);熱加工工藝應(yīng)盡量避免造成構(gòu)件各部分物理狀態(tài)的不均勻性，必要時(shí)應(yīng)采用退火處理消除加工應(yīng)力。例如奧氏體不繡鋼焊接后采用退火工藝消除殘余應(yīng)力，可以防止奧氏體不繡鋼的應(yīng)力腐蝕;焊接時(shí)選用合適的焊接工藝和順序，使熱影響區(qū)溫度均勻，殘余應(yīng)力小;采用適宜的機(jī)械處理方法，如噴丸處理造成壓應(yīng)力。

（3）合理選用材料及冶金因素的控制：根據(jù)材料工作情況及環(huán)境介質(zhì)合理選材。例如在使用不繡鋼時(shí)，為防止奧氏體不繡鋼的點(diǎn)蝕，應(yīng)選用含鉬的不繡鋼。

（4）采用電化學(xué)保護(hù)：由于有些材料只有在特定的電位范圍內(nèi)才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，因此可采用電化學(xué)保護(hù)法來控制應(yīng)力腐蝕斷裂。但是對(duì)氫脆敏感的材料，則不能采用陰極保護(hù)法。

4結(jié)束語(yǔ)

壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂在使用過程中存在極大地安全隱患，不容忽視。只有弄清壓力容器破壞原因，對(duì)腐蝕進(jìn)行分析，采取有效地防止措施，就可以減緩或抑制腐蝕破壞，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

雖然在應(yīng)力容器中應(yīng)力腐蝕斷裂問題可以從上述多種途徑加以防治，但是由于引起壓力容器腐蝕斷裂的應(yīng)力80%是加工應(yīng)力，對(duì)于壓力容器的制造和使用過程中，這些殘余應(yīng)力很難通過熱處理方法消除應(yīng)力，因此降低應(yīng)力的方法受到了很大的限制。而在使用過程中了，為了滿足化工要求，環(huán)境介質(zhì)條件很難改變，如水中的氯離子問題，一方面水處理去除氯離子需要的成本高;另一方面，即使水中的氯離子含量降到很低，仍存在濃縮積聚的問題，因此控制腐蝕介質(zhì)也受到了很大限制。由于在壓力容器中分布極板極為困難，電化學(xué)保護(hù)法很少使用。因此在制造壓力容器過程中選擇具有耐腐蝕應(yīng)力的金屬材料，合理設(shè)計(jì)壓力容器的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制制造加工工藝，盡可能的避免壓力容器的應(yīng)力腐蝕開裂[2]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 左景伊編，應(yīng)力腐蝕斷裂，西安：西安交通大學(xué)出版社，1985

[2] 劉建洲，奧氏體不繡鋼應(yīng)力腐蝕及防護(hù)，石油化工設(shè)備技術(shù)，2010