化工设备应力腐蚀的原因及其防护措施探究

关键词：应力腐蚀

在相关化工产品储存过程中, 经常会出现一些化工设备发生应力腐蚀的情况[1]。无论是碳钢、低合金钢还是奥氏体不锈钢, 基于某些特定环境, 都会出现应力腐蚀破裂。此处提到的应力腐蚀, 是指材料处于拉应力和腐蚀环境的共同作用下发生的破坏。应力腐蚀会导致材料受到较强的应力影响, 出现早期破裂, 较为隐蔽, 但同时危害极大。所以, 了解并使用应力腐蚀的原因和防护手段在工作开展中意义非凡。

一、应力腐蚀

应力腐蚀是基于拉应力之下而发生, 材料处于腐蚀介质下发生开裂。应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂, 也可以是晶间断裂。大多数应力腐蚀都会发生穿过晶粒, 也就是被人们称为穿晶腐蚀。应力腐蚀是由于残留或外界应力引起的应变以及腐蚀综合影响发生的材料破裂过程。由于应力腐蚀引起的材质开裂被称为应力腐蚀断裂。

二、腐蚀机理分析

关于应力腐蚀开裂机理解释较多, 但比较常用的是:应力腐蚀开裂指合金由于张力影响, 基于某种腐蚀条件下, 受限于合金内部的相关显微路径的腐蚀而造成的破裂现象。详细而言就是钢受到应力影响而发生滑移, 导致表面钝化膜破裂, 将活性较高的表面露出, 滑移导致位错和缺位情况严重, 满足一些元素在滑移范围偏析, 从而形成了活性阳极区[2]。通过腐蚀介质完成阳极溶解, 同时还会发生阳极极化, 四周发生钝化, 从而使腐蚀周围在此形成钝化膜, 之后继续受应力影响, 于腐蚀位置底部发生局部应力集中, 导致钝化膜破裂, 至此出现新的活性阳极区持续溶剂、钝化等, 不断循环, 最终断裂。

1. 影响应力腐蚀开裂的主要条件包括多种, 其中, 介质环境是较为重要的一项。比较具有代表性的包括四种介质环境, 笔者进行如下阐述:

(1) 基于氯化物溶液介质环境。这种介质中, 奥氏体不锈钢容易发生氢脆。

(2) 基于硫化物溶液介质环境。这种介质溶液多为硫酸和H 2S水溶液, 基于这种环境下发生的腐蚀非常常见, 而且其带来的损失也是十分惨重。无论是奥氏体不锈钢还是低合金钢、碳钢, 都会出现。

(3) 基于浓热碱溶液介质环境。奥氏体钢、低合金钢、碳钢等化工设备中, 都会发生碱脆开裂, 并且这种开裂可能性会随着碱液浓度的增加、温度的升高而不断变大。

(4) 基于高温高压水溶液介质环境。我们知道, 要发生应力腐蚀, 两个因素必不可少:出现局部应力, 另一个是存在破坏钝化膜或保护膜的条件下。

另外, 力学因素和冶金因素也是影响应力腐蚀的重要因素。其中, 力学因素包括:例如, 轧制工艺强度较高的铝合金7072-T6板材, 如果顺着轧制方向对其施力拉伸, 其自身可以起到较高的应力腐蚀抗力, 最高门槛应力能够达到420MPa;如果顺着板宽方向取样, 门槛应力达到224MPa;若顺着板厚方向施力, 门槛应力非常小, 仅为49MPa, 基本上刚刚达到轧制方向的1/10。还有, 利用相应热处理方式处理各强度的40Cr Ni Mo (4340) 合金钢, 通过对比应力腐蚀裂纹发展速度和应力强度因子彼此联系, 能够看出屈服强度比较高情况下, 裂纹发展过程存在两个阶段, 最初阶段裂纹发展速度与应力强度因子成正比;到应力强度发展到一定值时, 这种正比关系破裂, 裂纹发展速度不再与应力强度因子联系。通过这一典型实验, 基本上所有的强度较高钢材, 以及强度较高的铝合金都存在这一现象。

2. 治愈冶金因素, 主要包括三点:材料成分对应力腐蚀的影响;材料组织对应力腐蚀的影响;材料强度对应力腐蚀的影响。

三、具体防护措施

1. 控制腐蚀介质的含量

通过加缓蚀剂、脱硫、注水等方式, 能够缓解操作环境中硫、氯化物的浓度, 避免或减轻设备腐蚀程度[3];良好掌握环境中的p H值, p H越小, 其对应力腐蚀越有促进作用, 特别是高强钢。关于这一问题, 应熟悉掌握各材料在何种腐蚀介质中最为敏感, 最容易发生应力腐蚀, 例如:低合金钢对硝酸盐最为敏感, 在硝酸盐介质环境中发生应力腐蚀的几率最大;奥氏体不锈钢对卤化物元素是十分敏感, 在此介质下容易发生应力腐蚀;碳钢对硫化物和硝酸盐都比较敏感等。控制腐蚀介质的含量, 应该根据不同材料选择不同的介质环境, 能够起到有效的防护作用。

2. 合理选用材料

材料的选择对于应力腐蚀情况也是有着重要影响, 强度较低的材料更加适用, 尽量避免使用高强度钢材。这主要是由于钢屈服强度越大, 要对其产生应力腐蚀破裂的敏感性就越大。

3. 改进设计结构

选择合理的设计结构能够降低局部应力的集中程度。有关高压容器设计过程中, 有时会选择壁厚不相同的对接焊缝。受到内压影响, 由于“自由”变形导致焊缝处聚集了大量的局部应力, 一旦应力达到一定值, 基于应力腐蚀条件下, 应力腐蚀破裂极易发生。所以, 选择合理的设计结构是非常重要的。

4. 消除应力热处理

发生应力腐蚀的碳钢和其他材质设备, 都应实施焊后热处理, 从而避免未消除的应力。关于这一问题在标准GB150-1998《压力容器安全检查规程》中有明确说明[4]。通过实验结果证实, 相较于钢成分对于应力腐蚀破裂产生的影响, 显微组织更加严重。通过对同种材质的钢材实施正常范围内的热处理, 能够对焊接结构晶粒产生细化作用, 获取适合的金相组织, 以免焊接结构出现裂纹, 增强焊接接头和热影响区的塑性和韧性, 最终增强抗应力腐蚀程度。这一防护措施在设备制造中比较常用。

通过对上述方法的全方面考虑, 可有效预防材料的应力腐蚀, 减少浪费, 增加效益。如碳钢材料应力腐蚀防护过程中, 应选择Ni、Mn、Si、S、P等化学元素含量较少的介质环境, 选择强度较少的碳钢材料, 进行焊后热处理, 控制焊缝和热影响区的硬度, 降低壳体和焊缝区残余应力等;对于奥氏体不锈钢, 在进行应力腐蚀防护时, 选择具有抗应力腐蚀的材料, 目前在这一方面表现比较突出的为铁素体奥氏体双相钢, 同时还要改进设计结构, 尽可能避免结构形状发生突变, 从而降低局部高应力。进行消除应力处理过程中, 奥氏体钢不适用普通的处理温度, 需要将其提高至900℃才能够起到较佳效果。如果工艺条件允许的话, 还可以添加一定的缓蚀剂, 也可以起到防护的作用。由于各种材料都有其自身的特性, 因此, 进行应力腐蚀防护时, 针对不同的材料, 应该选择适合的防护方式, 但大体上还必须坚持从上述几个大方面出发。