壓力容器應(yīng)力腐蝕選材要點
2021-09-30 05:28:16
hualin
應(yīng)力腐蝕開裂
某種金屬材料只有在特定的腐蝕環(huán)境中，才發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。下表是容易引起應(yīng)力腐蝕開裂的壓力容器用鋼和腐蝕環(huán)境的組合。可見，幾乎每一種材料都有可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。
根據(jù)上述應(yīng)力腐蝕開裂特征，共同的防止途徑是：
①盡量消除拉應(yīng)力，或施加以壓應(yīng)力。設(shè)備機(jī)加工或焊接后最好進(jìn)行消除應(yīng)力退火，或進(jìn)行噴丸處理等操作，造成表面壓應(yīng)力。
拉應(yīng)力的來源有三個：一是設(shè)備的壓力載荷或非壓力載荷應(yīng)力（如熱應(yīng)力）；二是加工制造和安裝過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；三是腐蝕產(chǎn)物膨脹造成的應(yīng)力，即：由于腐蝕產(chǎn)物體積比被腐蝕掉的金屬的體積大，所造成的“楔入作用”。
②改變介質(zhì)的腐蝕性，使其完全不腐蝕（包括使其進(jìn)入穩(wěn)定鈍態(tài)），或者使其轉(zhuǎn)為全面腐蝕，均可以防止應(yīng)力腐蝕開裂。前者如使用緩蝕劑；后者如對于可經(jīng)常更換的零部件改變介質(zhì)成分造成全面腐蝕。
③選用耐應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料。
④采用陰極保護(hù)。
堿脆
金屬在氫氧化鈉溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂稱堿脆。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多種金屬材料皆可發(fā)生堿脆。氫氧化鈉濃度在5%以上的全部濃度范圍內(nèi)，碳鋼幾乎都可能產(chǎn)生堿脆；碳鋼及低合金鋼的溫度和氫氧化鈉濃度超過曲線對應(yīng)的限定值時，焊后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。碳鋼及低合金鋼壓力容器殼體用鋼板的腐蝕裕量不得小于3mm，以增強(qiáng)耐均勻腐蝕能力并降低殼體應(yīng)力水平。盛裝氫氧化鉀溶液的碳鋼及低合金鋼焊制容器也應(yīng)參照上述要求。
下圖所示的關(guān)系早在20世紀(jì)50年代初就已發(fā)表并成為腐蝕著作引用最多的資料，但時至今日仍不斷發(fā)生碳鋼設(shè)備的堿脆破壞事故，且環(huán)境溫度條件明顯地在破裂區(qū)（應(yīng)力消除）范圍。究其原因，有些與加熱方式有關(guān)，即以熱水加熱為主但是在冬季輔助以蒸汽加熱造成了超溫（超過50℃）。解決措施可以考慮以下幾方面：改變加熱方式，重新考慮選材和熱處理方案；設(shè)置溫度檢測點防止超溫等。
對于奧氏體不銹鋼而言，氫氧化鈉濃度在0. 1%以上時，18-8型奧氏體不銹鋼即可發(fā)生堿脆，以氫氧化鈉濃度為40%時最危險，這時發(fā)生堿脆的溫度為115℃左右。當(dāng)奧氏體不銹鋼中加入2%鉬時，則可使其堿脆界限縮小，并向堿的高濃度區(qū)域移動。鎳和鎳基合金具有較高的耐應(yīng)力腐蝕性能，它的堿脆范圍變得狹窄，而且位于高溫濃堿區(qū)。
氯脆
氯離子不但能引起奧氏體不銹鋼孔蝕，更能引起應(yīng)力腐蝕開裂。發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的臨界氯離子濃度隨溫度的上升而減小，高溫下，氯離子濃度只要達(dá)到10-6，即能引起破裂。發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕開裂臨界溫度為60℃。具有氯離子濃縮的條件（反復(fù)蒸干、潤濕）是最易發(fā)生破裂的。壓力容器中發(fā)生奧氏體不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕開裂情況相當(dāng)普遍。
奧氏體不銹鋼氧離子應(yīng)力腐蝕開裂不僅發(fā)生在設(shè)備的內(nèi)壁，在設(shè)備、管道外壁也時有發(fā)生。空氣中總含有氯化物，在海洋性大氣和工業(yè)區(qū)域大氣中氯化物含量更高。大氣中的水分在奧氏體不銹鋼螺栓上凝結(jié)和蒸發(fā)反復(fù)發(fā)生，就會造成螺栓表面的氯化物濃縮。干濕交替對氯化物濃縮十分有利，因此，處于干濕交替環(huán)境中的不銹鋼設(shè)備容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。氯離子也可能來自于保溫材料中含有的雜質(zhì)，或由于保溫層破損、進(jìn)入的雨水帶入并經(jīng)過濃縮的結(jié)果，例如石棉保溫材料。為避免奧氏體不銹鋼的隔熱材料濕水后濃縮的氯造成不銹鋼應(yīng)力腐蝕，必要時可對隔熱材料含氯量作出規(guī)定。
不銹鋼在連多硫酸中的應(yīng)力腐蝕開裂
在石油煉制工業(yè)中，以加氫脫硫裝置為典型，不銹鋼連多硫酸（ H2SxO6，x=3~5）的應(yīng)力腐蝕開裂頗為引人注目。設(shè)備在正常運(yùn)行時，受硫化氫腐蝕，生成的硫化鐵，在停車檢修時，與空氣中的氧及水反應(yīng)生成了H2SxO6。在Cr-Ni奧氏體不銹鋼設(shè)備、管道的殘余應(yīng)力較大的部位（焊縫熱影響區(qū)，彎管部位等）產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。
硫化物腐蝕破裂（SSCC-硫裂）
金屬在同時含硫化氫及水的介質(zhì)中發(fā)生的應(yīng)力腐蝕開裂即為硫化物腐蝕開裂，簡稱硫裂。發(fā)生硫裂所需的時間短則幾天，長則幾個月到幾年不等，但是未見超過十年發(fā)生破裂的事例。發(fā)生硫裂所需的硫化氫濃度很低，略超過10-6，甚至小于10-6。美國腐蝕工程師協(xié)會NACE以355Pa硫化氫分壓作為確定特定氣體成分（油田）是否處于硫裂潛伏區(qū)的判據(jù)。發(fā)生硫裂所需的時間一般隨硫化氫濃度增大而縮短。隨著硫化氫濃度增大，臨界應(yīng)力值降低。
碳鋼和低合金鋼在20~40℃溫度范圍內(nèi)對硫裂的敏感性最大，但奧氏體不銹鋼的硫裂大多發(fā)生在高溫環(huán)境，隨著溫度升高，奧氏體不銹鋼的硫裂敏感性增強(qiáng)。
在含硫化氫及水的介質(zhì)中，如果同時含醋酸，或者二氧化碳和氯化鈉，或磷化氫，或砷、硒、銻、碲的化合物或氯離子，則對鋼的硫裂起促進(jìn)作用。
對于奧氏體不銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進(jìn)作用，304L和316L不銹鋼對硫裂的敏感性有如下的關(guān)系：H2S+H2O< H2S+ H2O+CI- <H2S+ H2O+Cl-+O2（破裂的敏感性由弱到強(qiáng)）。
對于碳鋼和低合金鋼來說，淬火加回火的金相組織抗硫裂最好，未回火馬氏體組織最差。鋼抗硫裂性能依淬火+回火組織、正火+回火組織、正火組織、未回火馬氏體組織的順序遞降。
鋼的強(qiáng)度越高，越容易發(fā)生硫裂。鋼的硬度值越高，越容易發(fā)生硫裂。NACE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，含流油、氣田用鋼的HRC<22。現(xiàn)國際上普遍采用它作為碳鋼和低合金鋼在濕硫化氫環(huán)境中使用的標(biāo)準(zhǔn)。這并沒有什么理論根據(jù)，只是現(xiàn)場經(jīng)驗的總結(jié)。例外的情況是極個別的。
焊縫特別是熔合線是最容易發(fā)生硫裂的部位，因為這里的硬度最高。NACE對碳鋼焊縫的硬度作了嚴(yán)格的規(guī)定：HB≤200。焊縫部位常發(fā)生破裂，一方面是由于焊接殘余應(yīng)力的作用，另一方面是由于焊縫金屬、熔合線及熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織的結(jié)果。為防止硫裂，焊后進(jìn)行有效的熱處理（適當(dāng)增加625℃±25℃保溫時間）是十分必要的。
控制硫裂措施：在硫裂環(huán)境中的受壓元件不宜選用18-8型奧氏體不銹鋼和標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度大于540MPa的碳鋼和低合金鋼；降低鋼板中S、P含量；增加非金屬夾雜物和晶粒度檢查以避免夾雜物超標(biāo)和保證細(xì)晶粒要求；當(dāng)選用標(biāo)準(zhǔn)未推薦材料，或改變材料的制造工藝，或選用無使用經(jīng)驗的材料時，要對材料進(jìn)行抗SSCC性能評定試驗；殼體用鋼板的腐蝕裕量不得小于3mm；不得采用銅及各種銅合金；不允許存在鐵素體鋼或雙相不銹鋼與奧氏體銅之間的異種金屬焊接接頭等。
碳鋼和低合金鋼在其他應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境中的控制措施與上述控制硫裂措施基本相同。因壓力容器設(shè)計和使用過程中，“應(yīng)力集中”和“介質(zhì)濃縮”是兩個無法避免且十分重要的因素，并與結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)，所以資料中給出的產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力和臨界濃度只具有參考價值和相對意義，是可以接受的工程控制指標(biāo)，或適合使用的實用措施。這也是工程項目的復(fù)雜性所在。
其他常見的應(yīng)力腐蝕開裂體系
①碳鋼和低合金在液氨中的應(yīng)力腐蝕開裂（氨脆）
純凈的液氨不會引起應(yīng)力腐蝕開裂，當(dāng)液氨中混入空氣（O0、N2、CO2），如化肥工業(yè)中的農(nóng)用液氨，則會引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂，在液相部位和氣相部位均會產(chǎn)生。如液氨中含水量超過0. 2%，可抑制破裂的產(chǎn)生。對焊縫進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的熱處理，是必要的防護(hù)措施。
②碳鋼在CO-CO2 -H2O環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂
合成氨、制氫的脫碳系統(tǒng)、煤氣系統(tǒng)、有機(jī)合成及石油氣等工業(yè)中常發(fā)生這類損傷事故。
③奧氏體不銹鋼在高溫水中的應(yīng)力腐蝕開裂
動力工業(yè)及核工業(yè)中，常發(fā)生這類損傷事故。溶解O2是促進(jìn)因素，裂紋是晶間型，但如含有Cl-，則裂紋將呈穿晶型。
④碳鋼在硝酸鹽溶液、煤氣液、焦?fàn)t氣中都對應(yīng)力腐蝕開裂敏感。
如碳鋼在焦?fàn)t氣（以CH4和H2為主，內(nèi)含CO2、H2S、NH3、HCN、H2O）中，35℃環(huán)境下，使用一年便發(fā)現(xiàn)裂紋。