浅析应力腐蚀对压力容器的影响及预防措施

刘佳宁 王福新 孙中华 刘海滨

摘 要：压力容器是应用于化工、石油、制药、轻工、能源、环保和食品等行业生产工艺过程中所涉及的关键典型设备，因其制造的特殊性，在制造及使用的过程中会遇到多种泄漏现象，其中由于应力腐蚀造成的泄漏成為最危险的事故之一。据统计，应力腐蚀造成的安全事故在腐蚀事故中所占的比例高达35%。本文对S30408不锈钢压力容器应力腐蚀的实例进行了简要介绍，对产生的问题做了分析并提出避免此种泄漏的解决措施。为今后类似产品的设计与制造提供参考意见，增加预防能力，减低质量事故频率。

关键词：压力容器；应力腐蚀

一、情况简介

2012年，某压力容器制造单位为辽宁某化工厂自行设计制造了一台脱丁乙烷塔冷却器，封头材质为S30408不锈钢，采用标准GB24511-2009，壳程介质位iC04 ，管程介质为冷却水，设备预期使用寿命为10年。

2015年1月，用户发现正在运行的一台压力容器设备外头盖短节与封头环焊缝处外侧漏气，情况较为严重。接到问题反馈后，制造商高度重视，因其问题较为严重，故协商用户停车，将问题部件运回，进一步查明原因后再给出处理方案。

二、原因分析

1. 相关检验与化验

首先无损检测人员复查了出厂时的短节与封头环焊缝射线底片（20%射线检测），并无裂纹现象（见图1），符合标准要求。

然后对泄漏处做了局部射线检测，确认裂纹（见图2）。

最后对泄漏处进行了切割打磨处理并做了100%着色检测（见图3图4）。

射线检测结论：封头直边段存在严重裂纹。

着色检测结果：短节与封头环焊缝内侧（与壳程介质接触侧）在封头直边段位置存在规律性纵向裂纹，裂纹长度不等约为5-15mm，泄漏处裂纹已延伸至焊缝热影响区外侧。

为了进一步查清不锈钢封头裂纹产生的原因，制造商对产生裂纹的封头做了取样并做了化学成份分析，其复验结果符合GB24511-2009标准要求。

2.应力腐蚀

应力腐蚀是金属在残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用下（并有一定的温度条件）所引起的腐蚀裂纹。应力腐蚀现象较为复杂，当应力不存在时，腐蚀甚微；当有应力后，金属会在腐蚀不严重的情况下发生裂纹。产生应力腐蚀包括四个要素：敏感的金属材料、特定的介质环境、处于应力状态下、经过一定的时间。

3. 初步分析结果

设备母材为S30408奥式体不锈钢，封头成型工艺为旋压成型，成型后未经热处理，由于封头成型时，产生形变，会改变奥氏体不锈钢的局部晶间组织，产生微量马氏体，导致奥氏体母材处于相对不稳定状态，同时，封头与短节焊接处也正是残余应力最集中处；易对奥式体不锈钢产生应力腐蚀的介质含有氯离子、氯化物+蒸汽、湿硫化氢、碱液等，而这些物质又都是化工厂中最为常见的。

结合实物裂纹形态、所处位置（裂纹均处在封头与短节的焊缝边缘的封头侧，且与焊缝垂直）以及设备使用时间（2年），初步判断是由较缓慢的应力腐蚀所导致的（一般应力腐蚀出现在1周到2个月）。风头压制过程中的应力集中和腐蚀性环境是产生裂纹的主要原因。

注：无法排除设备在运行中出现的运行条件突变或外界产生的振动等因素导致应力腐蚀。

三、返修方案

为了安全和避免该问题再发生，制造商重新定制封头，封头由旋压冷加工改为热压加工并做固溶处理，以此消除封头应力。将问题封头切割掉后，新封头与原短节重新焊接，并对短节与封头环焊缝做100%射线检测。

四、预防措施及建议

1.对用户的建议

经了解，该设备壳体部分已更换多次，说明其壳程实际使用寿命远低于管程。由于内压容器在使用过程中，即使进行消除应力热处理，也不可避免的会受到拉应力的作用（压应力不会造成应力腐蚀）。即便封头经过热处理或采用热成型，仍建议用户彻底排查壳程介质中是否存在对奥氏体不锈钢产生应力腐蚀的介质。

为保证压力容器安全运行，结合问题产品出现的应力腐蚀现象，现场运行系统内类似产品极有可能存在同样情况，所以用户有必要对壳程介质流经的系统内奥氏体不锈钢产品进行质量隐患排查。对运行过程进行严格控制，例如介质中若有硫化氢，应严格控制水蒸气的进入。

建议用户针对有应力腐蚀倾向的部件制作备件，并定期更换，以保证设备运行不受影响，避免造成不必要的损失。

2.对设计者的建议

设计图样上应严格标注材料及热处理要求，对变形量较大、残余应力较高的零部件，若与易产生应力腐蚀的介质接触，则成型后应特别注明需进行消除应力热处理（固溶处理），以恢复母材本身的晶间组织结构。

若已知接触介质为极易产生应力腐蚀的介质，建议设备选材上优先选择超低碳（S31603）不锈钢、加入抗应力腐蚀元素（S32168）的不锈钢或奥氏体-铁素体双相不锈钢等。

参考文献：

[1]TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程.

[2]GB150-2011 压力容器.

[3]肖元超等 不锈钢封头典型裂纹原因分析及修复 《热处理技术与装备》2012年第1期.