压力管道开裂腐蚀

张慧娟

摘要：压力管道开裂腐蚀是压力管道的主要损伤模式，处在开裂腐蚀环境中压力管道危险性很大，本文对压力管道开裂腐蚀机理进行了归纳总结，提出了压力管道检验和安全使用的关键控制点。

关键词：压力管道 开裂腐蚀 敏感性材质 腐蚀性介质 拉应力

随着我国经济的快速发展，石化企业数量众多，成为国民经济的重要基础，压力管道是石化企业重要设备，数量大，类别多，在使用中事故频发，其安全状况直接关系到安全生产和经济效益，已成为影响人民生命财产的严重隐患。

压力管道腐蚀是引起压力管道事故的主要原因，在压力管道腐蚀中，开裂腐蚀隐患大，后果严重，在正常检测中不易发现，隐蔽性强。开裂腐蚀主要包括：氯化物应力腐蚀开裂、碳酸盐应力腐蚀开裂、硝酸盐应力腐蚀开裂、碱应力腐蚀开裂、氨应力腐蚀开裂、湿硫化氢破坏、氢脆。

开裂腐蚀是敏感性材质在拉应力和相应腐蚀性介质作用下产生的使材质开裂的一种腐蚀。开裂腐蚀的发生必须同时具备三个条件：敏感性材质、相应介质、拉应力。一旦条件具备，开裂腐蚀就发生，速度快，不易控制，不易察觉。有效控制开裂腐蚀发生条件，是保证压力管道安全的重要基础。

奥氏体不锈钢及镍基合金钢、碳钢、低合金钢、高强度钢在压力管道中使用普遍，对相应介质来说都是开裂腐蚀的敏感性材质；氯化物、碳酸盐、硝酸盐、碱、氨、湿硫化氢、氢是相应的腐蚀性介质；压力管道承受的内压力较高，特别是压力管道现场焊接时，绝大多数未进行消除应力的热处理，在焊接部位存在更高的拉应力集中。这就造成许多使用的压力管道处在开裂腐蚀环境中。具体腐蚀机理如下：

1 氯化物应力腐蚀开裂

奧氏体不锈钢及镍基合金在拉应力和氯化物溶液的作用下，氯离子易吸附在金属表面的钝化膜上，取代氧原子后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，导致钝化膜破坏。破坏部位的新鲜金属遭腐蚀形成一个小坑，小坑表面的钝化膜继续遭氯离子破坏生成氯化物。在坑里氯化物水解，使小坑内PH值下降，局部溶液呈酸性，对金属进行腐蚀，造成多余的金属离子，为平衡蚀坑内的电中性，外部的氯离子不断向坑内迁移，使坑内氯离子浓度升高，水解加剧，加快金属的腐蚀。如此循环，形成自催化，向蚀坑的深度方向发展，形成深孔，直至形成穿孔泄漏。

2 碳酸盐应力腐蚀开裂

在碳酸盐溶液和拉应力共同作用下，碳钢和低合金钢焊接接头附近发生的表面开裂，是碱应力腐蚀开裂的另一种特殊情况。碳酸盐应力腐蚀开裂常见于焊接接头附近的母材，裂纹平行于焊缝扩展，有时也发生在焊缝金属和热影响区；易在焊接接头的缺陷位置形成开裂，裂纹细小并呈蜘蛛网状：裂纹主要为沿晶型，裂纹间隙内多充满腐蚀产物。

3 硝酸盐应力腐蚀开裂

碳钢和低合金钢在含有硝酸盐、硫化氢及NOx的物料系统中，焊接接头区域存在拉伸应力作用的部位发生开裂的过程。硝酸盐应力腐蚀开裂常出现在焊接接头的焊缝金属和热影响区；热影响区的裂纹多为纵向，焊缝金属上的裂纹则以横向为主；裂纹主要为沿晶型，裂纹内一般会充满氧化物。

4 碱应力腐蚀开裂

暴露于碱溶液中的设备和管道表面发生的应力腐蚀开裂，多数情况下出现在未经消除应力热处理的焊缝附近，它可在几小时或几天内穿透整个设备或管线壁厚。碱应力腐蚀开裂通常发生在靠近焊缝的母材上，也可能发生在焊缝和热影响区；碱应力腐蚀开裂形成的裂纹一般呈蜘蛛网状的小裂纹，开裂常常起始于引起应力集中的焊接缺陷处；碳钢和低合金钢上的裂纹主要是沿晶型的，裂纹细小并组成网状，内部常充满氧化物；奥氏体不锈钢的开裂主要是穿晶型的，和氯化物开裂裂纹形貌相似，难以区分。

5 氨应力腐蚀开裂

碳钢和低合金钢在无水液氨中，或铜合金在氨水溶液和/或铵盐水溶液环境中发生的腐蚀开裂。铜合金产生氨应力腐蚀开裂时多为表面开裂，穿晶或沿晶，裂纹中会有浅蓝色的腐蚀产物。换热器管束表面有单条或分叉的裂纹；碳钢中会有浅蓝色的腐蚀产物。换热器管束表面有单条或分叉的裂纹；碳钢暴露于液氨中的未经热处理的焊缝金属和热影响区可能发生开裂。

6 湿硫化氢破坏

在含水和硫化氢环境中碳钢和低合金钢所发生的损伤过程，包括氢鼓泡、氢致开裂、应力导向氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂四种形式。

氢鼓泡：金属表面硫化物腐蚀产生的氢原子扩散进入钢中，并在钢中的不连续处（如夹杂物、裂隙等）聚集并结合生成氢分子，造成氢分压升高并引起局部受压，发生变形而形成鼓泡。

氢致开裂：在材料内部不同深度形成氢鼓泡时，当相临的鼓泡会连接在一起，形成的台阶状开裂为氢致开裂。

应力导向氢致开裂：在焊接残余应力或其他应力作用下，氢致开裂沿厚度方向不断连通并形成最终暴露于表面的开裂。

硫化物应力腐蚀开裂；由于金属表面硫化物腐蚀过程中产生的原子氢吸附造成的一种应力开裂。

7 氢脆

腐蚀过程中化学反应产生的氢或材料内部的氢，以氢原子形式渗入高强度钢，造成材料韧性降低，在材料内部残余应力及外加载荷应力共同作用下发生脆性断裂。氢脆引起的开裂以表面开裂为主，也可能发生在表面下；氢脆发生在高残余或三向应力的部位（缺口、缩颈）；断裂时一般不会发生显著的塑性变形；强度较高的钢氢脆开裂一般形成沿晶裂纹。

8 小结

设计中要根据介质选择材料，制造中要消除材料的残余应力，使用中要控制介质中的有害成份。对处于开裂腐蚀环境中的压力管道，要采用相应的检测手段，使用中要定期检查，这样就可有效控制压力管道开裂腐蚀。

参考文献：

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