压力容器在环境介质作用下的断裂

惠胜 宋振廷

1、摘要

压力容器总是在一定环境介质中工作。环境对材料的力学性能往往有着重要的影响。有时腐蚀性很弱的介质，像水、潮湿空气也能起很大的作用。介质与应力的协同作用，常比他们的单独作用或者二者简单地叠加更为严重。应力与化学介质协同作用引起材料力学性能下降，甚至发生提早断裂的现象，称为材料的环境敏感断裂。

压力容器在使用过程中的受力是多种多样的，入拉伸应力、交变应力、摩擦力、振动力等。不同状态的应力与介质的协同作用所造成的环境敏感断裂形式各不相同，据此可以将它们分为应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳、磨损腐蚀和微动腐蚀等等。在静载荷作用下的环境敏感断裂有应力腐蚀断裂和氢脆断裂。从破坏机理来看，应力腐蚀断裂可能是裂纹尖端阳极溶解引起的，也可能是阴极反应产生的氢进入金属引起的。氢可以导致材料的其他形式破坏，如氢鼓泡、氢腐蚀等等。为了说明氢的作用，由氢造成的材料性能的蜕变，统称为氢损伤或广义氢脆。在交变载荷作用下的环境敏感断裂，称之为腐蚀疲劳。

2、应力腐蚀断裂的基本条件及形貌特征

材料在静应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性断裂称为应力腐蚀断裂。通常应力腐蚀断裂所需的应力是很小的。假如不是处于特定的腐蚀介质中，这样小的应力是不可能使材料发生断裂的。反之，如果没有应力存在，则材料在这种环境介质中所受的腐蚀也是轻微的[1]。

应力腐蚀有三个基本特征：

（1）必须有应力，特别是拉伸应力的作用。拉伸应力愈大，断裂所需的时机愈短。断裂所需的应力，一般都远远低于材料的屈服强度。压力容器的应力大致分为4种：

1.作用应力，即压力容器的设备和部件在工作环境中所受的外部载荷;

2.残余应力，即压力容器在生产和设备制造过程中在材料内部产生的应力;

3.热应力，即温度不均匀而产生的应力集中;

4.结构应力，即压力容器在安装和装配过程中引起的应力。

而压力容器在制造过加工，以及使用过程中的操作工艺、使用条件和设备结构都会产出一定的应力，其中焊接过程所产生的焊接残余应力是不可避免的，会使压力容器引起局部腐蚀，加速应力腐蚀断裂，是压力容器产生泄露甚至爆炸事故。

（2）对于一定成分的合金，只有在特定介质中才能发生应力腐蚀断裂。如奥氏体不锈钢在氯化物溶液中具有很高的应力腐蚀断裂敏感性，而铁素体不锈钢对此却不敏感。常用金屬材料产生应力腐蚀断裂的环境介质组合如表2-1。

大多数压力容器在敏感环境介质的环境中运行，跟容易产生应力腐蚀，减短了它们的使用寿命。

（3）应力腐蚀断裂断口一般属于脆断型。应力腐蚀通常只有一条主裂纹，但形成多分支裂纹可以是沿晶届扩展的，也可以是穿晶型，甚至兼有两种形式的混合型。如图2-2。

3应力腐蚀的控制。

压力容器应力腐蚀断裂发生非常缓和的介质和不大的应力状态下，而且往往事先没有明显的预兆，因此常造成灾难性的事故。而应力腐蚀断裂是材料与环境介质、力学因素等三个方面协同作用的结果，预防和降低合金应力腐蚀断裂的倾向，也应当从这三个方面采取措施。

（1）改善条件：这可从两方面考虑，一方面设法消除或减少促进应力腐蚀断裂的有害化学物质，例如通过水净化处理，降低冷却水与蒸汽水中的氯离子，对于防止奥氏体不绣钢的氢脆十分有效;另一方面在某些环境介质中加入适当的缓冲剂，能有效地防止应力腐蚀断裂，例如防止锅炉钢的碱脆，可采用硝酸盐或亚硫酸盐纸浆作缓蚀剂。

（2）降低或消除零件内的残余拉应力：设计上尽量减少构件的应力集中效应;热加工工艺应尽量避免造成构件各部分物理状态的不均匀性，必要时应采用退火处理消除加工应力。例如奥氏体不绣钢焊接后采用退火工艺消除残余应力，可以防止奥氏体不绣钢的应力腐蚀;焊接时选用合适的焊接工艺和顺序，使热影响区温度均匀，残余应力小;采用适宜的机械处理方法，如喷丸处理造成压应力。

（3）合理选用材料及冶金因素的控制：根据材料工作情况及环境介质合理选材。例如在使用不绣钢时，为防止奥氏体不绣钢的点蚀，应选用含钼的不绣钢。

（4）采用电化学保护：由于有些材料只有在特定的电位范围内才会发生应力腐蚀断裂，因此可采用电化学保护法来控制应力腐蚀断裂。但是对氢脆敏感的材料，则不能采用阴极保护法。

4结束语

压力容器应力腐蚀开裂在使用过程中存在极大地安全隐患，不容忽视。只有弄清压力容器破坏原因，对腐蚀进行分析，采取有效地防止措施，就可以减缓或抑制腐蚀破坏，确保设备的安全运行。

虽然在应力容器中应力腐蚀断裂问题可以从上述多种途径加以防治，但是由于引起压力容器腐蚀断裂的应力80%是加工应力，对于压力容器的制造和使用过程中，这些残余应力很难通过热处理方法消除应力，因此降低应力的方法受到了很大的限制。而在使用过程中了，为了满足化工要求，环境介质条件很难改变，如水中的氯离子问题，一方面水处理去除氯离子需要的成本高;另一方面，即使水中的氯离子含量降到很低，仍存在浓缩积聚的问题，因此控制腐蚀介质也受到了很大限制。由于在压力容器中分布极板极为困难，电化学保护法很少使用。因此在制造压力容器过程中选择具有耐腐蚀应力的金属材料，合理设计压力容器的结构，严格控制制造加工工艺，尽可能的避免压力容器的应力腐蚀开裂[2]。

参考文献：

[1] 左景伊编，应力腐蚀断裂，西安：西安交通大学出版社，1985

[2] 刘建洲，奥氏体不绣钢应力腐蚀及防护，石油化工设备技术，2010