压力容器和压力管道应力腐蚀开裂机理及影响因素分析

夏源

摘   要：SCC是指一些材质在应力承受中因内外部环境的压力腐蚀而产生的裂纹。SCC所造成的裂纹具有脆性断口形貌，且多发生于一些高韧性的材料中。SCC是压力容器和压力管道失效的主要模式之一，对工业生产具有一定的负面影响。文章以应力腐蝕开裂的特征和影响因素为基础，提出一些相应的防护措施。

关键词：压力容器;压力管道;应力腐蚀开裂;影响因素

从广义上理解，压力管道就是保护管内介质，承受来自内外压力的管道，而压力容器就是在承受压力的状况下将气体或液体密闭封存的容器。压力管道和压力容器是承受压力的器皿，目前在我国工业生产中已经被推广和应用。应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）是对这两种承压设备危害最大的失效模式。在腐蚀环境中，对设备或容器的侵蚀程度超过40%，对于一些不锈钢材质的容器，其侵蚀比例甚至能达到55%。在对压力管道和压力容器的腐蚀检测工作中，主要通过目视检查、内镜检查等来测验设备内腐蚀程度、腐蚀局部等。但SCC很难以常规的检验方式监测到，这是由于SCC的形成缺少事先预兆，往往都是突发性的低压力破坏，给工业生产带来严重的安全威胁。当然，低压容器与低压管道在实际操作中有相应的规范指导，例如《固定式压力容器技术监察规程》等，针对压力设备的检验周期进行了明确规定。为了保证工业行业的安全管理，加强对压力容器和压力管道产生SCC现象的有效预防，是各项设备安全运行的有效路径。

1    应力腐蚀开裂的基本特征与影响因素

SCC的发生与形成需要在一定的环境、应力和材料条件下，通常情况下，SCC形成的流程主要为：在材料表面上形成的介质以及钝化膜等物质，在拉力与破坏作用下造成物质产生裂纹或破裂，而裂纹随着时间推移会向设备内部进行扩张，形成穿透性裂纹。SCC形成的基本特征主要表现在以下6方面：（1）合金设备更容易产生应力腐蚀。（2）残余应力和外加应力是形成腐蚀的必要条件。（3）应力腐蚀是在特定环境下形成的。（4）应力腐蚀开裂是脆性开裂。（5）在一定的温度条件下。（6）应力腐蚀断裂与外部环境和应力大小相关联。具体时间短则几分钟，长则几年，一般裂纹分为成核和扩展这两个过程。SCC现象如图1所示。

大多数合金都会遇到应力腐蚀，但合金的腐蚀与特定的环境有一定的联系。影响应力腐蚀的基本因素主要表现为以下几个方面。

1.1  产生SCC的应力

以SCC的拉伸应力中残余压力为例进行分析，通常情况下，仅残余应力就能够产生应力腐蚀现象。残余应力在生产制造与装备过程中都有产生的概率，例如：因后续的热处理工作失效、螺纹连接配合过盈、设备结构设计不合理等因素使得残余压力增加。同时，加热不均匀以及热梯度的产生也是造成残余压力增加的主要因素。比如在5%～10%的低应力水平下，就会产生SCC现象[1]。

1.2  应力集中

SCC的产生需要有效的应力集中源，这也是产生表面裂纹缺陷有效因素。当然，引起材质裂纹的原因有很多，包括因操作不当或工序缺陷而产生的裂纹、机械加工过程中的损伤、加热处理过程中和焊接过程中产生的裂纹等。一些材料或设备从表面上看并没有裂纹，但实际因氧化膜的覆盖很难发现裂纹。

1.3  腐蚀环境

通常情况下，腐蚀环境与腐蚀剂和温度有很大的关联。像硫化氢、无水液氨、氯化钠溶液、热浓碱等腐蚀剂，会使得一些不锈钢、碳钢或低合金钢等材料产生应力腐蚀作用。腐蚀剂在液体中往往是以微量分子和特定离子存在的，例如一些不锈钢材质的设备形成SCC现象，需要由超过百万的氯化分子组成。也就是说，腐蚀剂浓度的高低决定了腐蚀程度。从温度层面来说，腐蚀开裂程度随着设备所处温度升高而升高，除此之外，像镁合金、铝合金一类的材料在常温下也会产生SCC现象。但是通常情况下，SCC产生所需的温度在120 ℃以下，如：像不锈钢一类的材料，除一些材质较为特殊的材料，一般需要50 ℃以上的高温才可能产生SCC[2]。

2    压力容器和压力管道控制应力腐蚀开裂的有效对策

首先，应力集中是SCC产生的主要原因之一，因此在设备设计、制造过程中，要注意各个零部件的焊接，既要防止零部件不连续和凸起的问题，还要减少表面擦伤和裂纹缺陷。其次，焊缝也是引起SCC的有效因素，因此相关制造商要设置合理的焊接工序，实现焊接各环节的整合，保证焊接表面的光滑与平整，焊接后进行有效的热处理，尤其要减少铆接与螺栓之间的缝隙。最后，在生产与设计过程中要注意腐蚀点的产生，采用合理的设计结构，避免装配应力的形成。此外，对受到震动影响较大的部位尽量避免采用铆接连接，将横断面保护起来，减少流线外露，才能够达到抗腐蚀的目的，从而降低应力腐蚀的发生概率。

3    结语

综上所述，压力管道和压力容器在生产和应用过程中很容易遭到应力腐蚀，从而给工业生产活动带来一定的负面影响。所以，相关工作人员或设备制造商要深入认识应力腐蚀产生的有效因素，从压力容器和压力管道的设计制造工作入手，并采取有效的防范措施。

[参考文献]

[1]罗汇果.压力容器和压力管道应力腐蚀开裂机理及影响因素分析[J].广东化工，2017（6）：147-149.

[2]王帅.压力容器应力腐蚀发生因素及控制措施[J].中国高新区，2017（6）：111.