承压设备的应力腐蚀开裂分析

承压设备的应力腐蚀开裂分析

赵明峰

江苏省特种设备安全监督检验研究院扬州分院225002

摘要：承压设备腐蚀开裂是指承压设备在低于屈服强度的应力作用下发生脆性的破坏，具有极大的危害性，并且可以对人员经济造成不可修复的创伤，所以认识和掌握应力腐蚀开裂发生的条件以及产生机理和裂纹特征才能够更好的对其进行防治，所以，对于承压设备的腐蚀开裂研究就显得十分的有意义。

关键词：承压设备；应力腐蚀；开裂分析

承压设备的应力腐蚀其定义是指在一般情况下，特定的腐蚀环境和应力的共同作用下承压设备在低应力的作用中因为突发性的原因造成其脆性的破坏。在最近几年的发展过程中，各种设备装置都在向大型化的方向发展，如化学工业以及石油化工等，那么在这些装置之中就会有很多都是带有腐蚀性的介质。从而在装置搬运的过程中就会很容易产生SCC，在工程应用当中此类事件发生的概率也正在不断的增多，根据一些专业的统计数据中我们可以看出，在腐蚀性的破坏事件当中SCC事件占有其中的50%左右。因为SCC产生的破坏力是在早期事故中产生的，所以相对来说，这类事件具有很强的隐蔽性以及很高的危害性，所以，从这些危害的角度出发，目前为止很多国家都对这类事件引起了想当高的重视，并且在研究方面取得了很高的成果。所以，对于我们来说，掌握这些关键的应力腐蚀措施以及认识其中的机理是具有很重要的意义的。

一、应力腐蚀开裂的条件

对于承压设备来说，对于应力腐蚀开裂而言，并不仅仅只是力学和腐蚀损坏两项之间的叠加作用力。开裂的原因是因为对于材料屈服极限承压设备是远远地低于其应力从而导致了开裂的出现。在应力的不断作用的过程中，腐蚀开裂的原因可能仅仅是因为腐蚀性可以忽略不计的介质【1】。腐蚀发生时常常是没有任何征兆的，所以在一定程度上面来说，这样就会导致严重事故的发生，应力腐蚀在作用过程中发生的速度是非常快的，但是发生应力腐蚀也是需要满足3个条件才有可能发生，分别是：金属材料组合特定的腐蚀介质；拉应力；满足腐蚀材料的化学组织结构和成分。

金属材料组合特定的腐蚀介质：只有两者相互组合才能够在一定的情况产生腐蚀开裂。否则不会发生。除此之外，在应力腐蚀断裂情况中，溶液的温度也会对其造成影响。一般情况下面，如果温度不断的升高，那么腐蚀开裂就容易发生。但是相对来说，却存在一个开裂温度的临界值。

拉应力：对于拉应力而言，产生腐蚀开裂的来源主要有三个：第一个是负载应力；其应力是在一定的压力操作下才产生的，并且由于内外温差相对过高或者是在操作过程中不断的反复进行冷却加热而导致的。第二个是残余应力；对于残余应力而言，其来源是非常广的，这里面包括的不仅仅只是焊接的残余应力，还有其余的残余拉应力，这些不合理的设计最终就会导致应力集中。第三个是腐蚀产物以及过程；被腐蚀掉的金属体积在一般而言都是小于各类产物的溶解体积的，对于这些变化的体积都有可能会产生很大的应力；第四个是材料的成分以及结构；应力腐蚀与这两种有很大的联系，在应力腐蚀两者占有很重要的位置。在几项研究中表明，在合金中其腐蚀应力相对而言比纯金属的更大。

二、应力腐蚀开裂的机理

对于应力腐蚀而言其开裂的机理实际上是有很多的种的，但是在不断的发展过程中却始终没有一套理论对其进行合理的解释。就目前来说，对于腐蚀机理能够让广大群众接受的就是主要有两种类型，第一大类就是择优溶解阳极理论，第二大类就是氢致开裂理论。那么本解释腐蚀开裂的原因主要是从沿晶应力这一方面来进行具体的解释。对于这种解释其实用电化学腐蚀的知识进行解释是更为合理的。在晶粒的内部其能力实际上比晶界更为高出，并且阳极就是能量较高的晶界，而对于晶体的本身来说，在一定程度上来讲他本身实际上就是一个阴极，所以从另外一个方面来说，晶界实际上就是一个原电池，在膜被保护的区域就会形成阳极而没有被保护的区域就是阴极，这样就会慢慢引发电化学的腐蚀，从而使晶界开始不断的出现裂纹最后腐蚀开裂。

三、应力腐蚀的发育过程

在应力腐蚀开裂的过程当中，其发生条件是需要有腐蚀介质进行参与其中的，所以材料的表面常常会有腐蚀开裂的裂纹。在应力腐蚀中，腐蚀比较严重的是裂纹额端部【2】。一般情况下，对于裂纹来说，其形状大部分都是向树枝状一样的形状，但是从其他的微观方面来说，裂纹的形状还取决于其它的方面，比如说是环境因素的影响、材料等其他因素。

在应力的腐蚀开裂中，其断口的形状从一定方面来讲其特征主要是具有脆性。所以即使是韧性在原本来说都是很好的材料如果出现应力腐蚀开裂那么也会变为脆性的，从宏观的角度来看问题，实际上对于塑性变形而言是很好发生的，但是换个角度从微观上来观察，在断裂面上就会留下些许痕迹。并且在很多时候如果发生应力腐蚀都能够在一定层面上看到腐蚀的痕迹。

四、预防措施

在应力腐蚀的发展过程当中，是具有一定的规律可以遵循的，主要的规律分为四个阶段，分别是潜伏期、开始慢慢出现裂纹、裂纹不断的开始扩大，最后裂纹被破坏，这些裂纹在破坏的时候因为突发性所以破坏性是很大的，在这个过程当中也很难去进行一定的预测。所以为了减少此类事件的发生，只能够做好相关的防护措施，在进行防护措施之前首先需要考虑的是要了解腐蚀开裂的条件，真正的从原理上去进行防治。主要的措施有以下几点。

第一点是在对腐蚀介质进行把控的过程当中要严格要求，对材料要能够合理的进行选择。在条件允许的情况下，在对腐蚀介质的溶度进行控制时，将其ph值增大到一定的值，或者是将环境温度控制在合理的范围之内从而用这些方法来对腐蚀进行一定程度上的减缓【3】。大多时候，对于环境情况而言这些是不允许被改变的，所以对材料进行选择的过程中是需要根据腐蚀因子来做出合理的选择的。另外一个方面，从断力学的角度出发，在对材料进行选择的过程当中还需要对其强度进行考虑，不仅仅如此，在一定方面有时还需要考虑其断裂的韧性。在有规律可循的方面上材料中的腐蚀应力其开裂会因为屈服强度的增加而变得更加的敏感。所以为了确保安全，在对材料进行选择时最好选用的材料是强度较低的，并且选择高强度的钢，从而在一定程度上来抑制住SCC事件的发生。除此之外，还有其他的防治措施，我们可以选用牺牲阳极保护阴极的办法达到防止腐蚀也可以通过外加电流的方式或者是在材料的表面涂一层保护层，比如化学镀等，这些方法都是可行的，并且不失为不错的方法。

结论

对于承压设备来说如果一旦发生腐蚀开裂那么将造成十分重大的危害，所以在我们使用的过程中一定要防止其的发生。

参考文献：

[1]张玉福.多介质环境下压力容器用材腐蚀失效机理研究[D].兰州理工大学，2016.

[2]郭晓璐.承压设备设计阶段风险评估技术方法研究[D].兰州理工大学，2012.

[3]杨柳柱.强化特种设备管理是化工安全生产的关键[J].化工管理，2018（32)：59.