压力容器常见危害——应力腐蚀开裂

（一）前言。
   压力容器失效的最主要形式有：强度失效、刚度失效、密封失效、低温脆断、高温蠕变、应力腐蚀开裂……。其中最需要注意的且最易造成危害的是低温脆断和应力腐蚀开裂。今天的文章主要谈一谈形成应力腐蚀的相关机理和主要应对措施。

      化工设备零部件在应力(主要为拉应力)和腐蚀介质的联合作用下，易出现低于材料强度极限的脆性开裂现象，导致设备和零件失效，这种现象称为应力腐蚀开裂(简称SCC)。



      具有应力腐蚀倾向的介质主要有液氨、湿硫化氢、氯化物、氢氧化物、硝酸盐及含氧水等。



      应力腐蚀开裂的一大特点是容易在较低的应力水平下发生，与单纯由机械应力造成的开裂完全不同，一般无先兆性；与单纯由腐蚀引起的开裂也不同，不会造成大面积均匀腐蚀减薄。因为应力腐蚀多涉及电离腐蚀，腐蚀速度很快，没有变形预兆的情况下即发生突然断裂或鼓包穿孔，是工业生产中危害性最大的一种恶性腐蚀现像。



      由应力腐蚀而引起的裂纹往往都深入到金属内部，很容易形成贯穿性裂纹，一旦发生即很难修复，一般只能整台设备报废。



      不锈钢材料在氯离子环境下极易产生应力腐蚀；而碳钢及低合金钢在湿硫化氢环境中易发生硫化物应力腐蚀。





（二）形成的基本条件



(1) 金属材料是合金也包括微量元素的合金，纯金属一般不发生应力腐蚀裂纹；



(2) 材质与腐蚀介质的匹配并非任何金属材料与任何介质都能产生应力腐蚀裂纹，它们有一定的匹配关系；



(3) 必须存在拉应力，拉应力可以是工作应力和焊接残余应力。焊接残余应力通常在焊缝及近缝区为拉应力，有时高达材料的屈服点。所以即使焊接结构不承受载荷，只要材质与腐蚀介质符合匹配关系也会引起应力腐蚀裂纹。



（三）发生应力腐蚀的主要特征



(1) 应力腐蚀破裂速率远大于其他局部腐蚀速率；



(2) 应力腐蚀断裂，常在无明显预兆，属于突然发生，故其危害性极大；



(3) 裂纹的形态主要有晶间型、穿晶型和混合型3种；



(4) 断口形貌，宏观上属于脆性断裂，其微观上可观察到断面上仍有塑性流变痕迹。



（四）应力腐蚀试验方法



      根据应力加载的方法不同，应力腐蚀试验方法主要分为恒变形法、恒载荷法、慢应变速率法、断裂力学法。

(1) 恒变形法：给予试样一定的变形，对其在试验环境中的开裂敏感性进行评定；



(2) 恒载荷法：把单轴拉伸型的试样沿轴向施加应力,在腐蚀介质中试验,比较断裂时间的长短,或利用应力与断裂时间的关系曲线,来提出应力腐蚀开裂的临界应力σscc；



(3) 慢应变速率法：是在专门设计的慢应变速率应力试验机上，使试样在腐蚀介质中以一定的应变速度拉伸，直至断裂。分析试样的断裂情况和断口特征等，以评定其应力腐蚀开裂敏感性；



(4) 断裂力学法：使用楔形张开加载型试样进行研究，以预先制有裂纹的试样给以各种K值，测定裂纹停止扩展的临界值KISCC。

(5) 主要试验标准：

GB/T 4157-2006《金属抗硫化物应力腐蚀开裂恒负荷拉伸试验方法》

GB/T 17898-1999《不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法》

GB/T 10126-2002《铁-铬-镍合金在高温水中应力腐蚀试验方法》



（五）工程应用场合中容易产生应力腐蚀破坏的情况主要有以下几种：



(1) 对碳钢和低合金钢，介质有碱液，硝酸盐溶液，无水液氨，湿硫化氢，醋酸等；对于中高强度低合金钢，液氨介质也需要特别注意；




(2) 对奥式体不锈钢，介质有氯离子，氯化物+蒸汽，硫化氢，碱液等；



(3) 对含钼奥式体不锈钢，介质有碱液，氯化物水溶液，硫酸+硫酸铜的水溶液等；



(4) 对黄铜，介质有氨气及溶液，氯化铁，湿二氧化硫等；



(5) 对钛，介质有含盐酸的甲醇或乙醇，熔融氯化钠等；特别注意因介质泄漏而形成盐酸的场合，例如液氯介质禁用钛垫片；





（六）应力腐蚀开裂控制途径：

(1) 降低应力，消除残余应力；例如开展有效地焊后消除应力热处理；

(2) 选用耐应力腐蚀材料；例如液氨应尽量选用较低强度的碳钢和低合金钢；

(3) 采用阴极保护；

(4) 添加缓蚀剂或除去介质中有害成分。例如在液氨中添加适量的水、介质中含硫化氢的场合则需严格控制介质中的水份等；

(5) 对低浓度硫化氢环境，可通过净化材质、降低材料中S、P含量，改善材料组织等措施，抑制应力腐蚀发生。

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