壓力容器和壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂機理及影響因素分析
材料腐蝕的概率是非常大的并且影響擴大化,這往往會造成不可避免的損失,尤其是對于大型石油化工領(lǐng)域造成的經(jīng)濟損失以及對人員的生命安全造成威脅。應(yīng)力腐蝕的裂紋擴展速率一般為10-9~10-6m/s。如疲勞,是漸進(jìn)緩慢的,這種亞臨界的擴展?fàn)顩r一直大到某一臨界尺寸,使剩余下的斷面不能承受外載時,就突然發(fā)生斷裂,所以后續(xù)會發(fā)生很嚴(yán)重的事故。由此可見,對于壓力容器和壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂的研究具有重要意義。
一、壓力容器和壓力管道應(yīng)力腐蝕開裂機理
01應(yīng)力腐蝕是產(chǎn)生的失效現(xiàn)象,是在拉應(yīng)力作用下,金屬在腐蝕介質(zhì)中引起的破壞。而應(yīng)力腐蝕一般認(rèn)為有陽極溶解和氫致開裂兩種。常見的應(yīng)力腐蝕的機理是:零件或構(gòu)件在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下,表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞,破壞的表面和未被破壞的表面分別形成陽極和陰極。而在應(yīng)力腐蝕過程中,經(jīng)過實驗表明,當(dāng)金屬加上陽極電流時可以加劇應(yīng)力腐蝕,但加上陰極電流時則能阻止應(yīng)力腐蝕,一般認(rèn)為壓應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕的影響不大。
02為防止一些零件的應(yīng)力腐蝕,首先應(yīng)合理選擇材料,避免使用對應(yīng)力腐蝕敏感的材料,可以采用抗應(yīng)力腐蝕的不銹鋼材料。之后應(yīng)合理設(shè)計零件和構(gòu)件,減少應(yīng)力集中。改善腐蝕環(huán)境。例如可在腐蝕介質(zhì)中添加緩蝕劑,也是防止應(yīng)力腐蝕的措施。采用金屬或非金屬保護(hù)層,可以隔絕腐蝕介質(zhì)的作用。除此之外,采用陰極保護(hù)法、電化學(xué)保護(hù)也可減小或阻止應(yīng)力腐蝕。
03陽極溶解理論認(rèn)為陽極溶解應(yīng)力腐蝕的機理包括滑移溶解理論、鈍化膜致脆理論、擇優(yōu)溶解理論、腐蝕促進(jìn)局部塑形變形導(dǎo)致脆斷等?;迫芙饫碚撜J(rèn)為,發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的合金表面有一層鈍化膜,鈍化膜存在局部薄弱點,在應(yīng)力作用下合金基體內(nèi)部位錯會沿滑移面產(chǎn)生移動,形成滑移階梯。當(dāng)滑移階梯的形成而發(fā)生相應(yīng)變形時,鈍化膜就會破裂并裸露出新鮮表面,并與腐蝕介質(zhì)接觸,發(fā)生快速陽極溶解。當(dāng)溶解相當(dāng)大的區(qū)域后,由于氧氣的吸附,活性離子轉(zhuǎn)換,又形成表面膜,使溶解區(qū)重新進(jìn)入鈍化狀態(tài),便形成“隧洞”。這時位錯停止沿滑移面滑移并被鎖住,造成位錯重新塞積。在應(yīng)力作用下,位錯重新開始移動,表面鈍化膜破裂形成無膜區(qū)后新露出的表面又快速溶解。經(jīng)過滑移金屬陽極溶解以及鈍化過程的循環(huán)往復(fù)最后導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕裂紋的形成和擴展。
04氫致開裂理論:陽極為金屬溶解,這一類應(yīng)力腐蝕就稱為氫致開裂型應(yīng)力腐蝕。比如,高強鋼在水溶液中的應(yīng)力腐蝕就是一種氫致開致型應(yīng)力腐蝕。這就是說,氫致開裂應(yīng)力腐蝕是氫致滯后開裂的一種表現(xiàn)形式,所以這類應(yīng)力腐蝕的機理就和氫致滯后開裂機理相同。
二、壓力管道和壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生的影響因素
01應(yīng)力腐蝕破裂產(chǎn)生的影響因素,比如在一些特定的環(huán)境中,硫酸鹽等腐蝕性溶液與作用于合金內(nèi)部的拉應(yīng)力相結(jié)合的時候,鑄造鎂合金,特別是含鋁鎂合金在低于其屈服強度的靜載荷作用下,具有強烈的應(yīng)力腐蝕敏感性;而應(yīng)力腐蝕往往降低材料性能,制約鎂合金的應(yīng)用。合金成分、力學(xué)性能和環(huán)境因素對鎂合金應(yīng)力腐蝕開裂影響嚴(yán)重,抑制鎂合金應(yīng)力腐蝕開裂需要同時控制臨界應(yīng)力、敏感合金的載荷和應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境三種因素。應(yīng)力腐蝕破裂是指拉應(yīng)力和一種特定腐蝕介質(zhì)共同存在而引起的破裂。鎂合金對應(yīng)力腐蝕非常敏感,必須加以保護(hù)。
02在處理介質(zhì)環(huán)境因素中,最終導(dǎo)致壓力管道和壓力容器產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的原因有很多,受到各種因素的影響。比如離子的種類,離子的濃度,pH 等。這些因素通過影響材料的電化學(xué)行為等,而對裂紋的形成和拓展過程產(chǎn)生影響。而且在壓力容器中介質(zhì)因素方面:隨著氯離子濃度的增加也會讓奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性增加,但如果溶液中的氯化物濃度過高,那么也會讓破裂的時間減少。所以介質(zhì)因素也是導(dǎo)致壓力管道和壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂的原因。
03對于材料應(yīng)力腐蝕中,因為具有獨特的鮮明特點,應(yīng)力腐蝕破壞特征,可以幫助我們識別破壞事故是否屬于應(yīng)力腐蝕,但要綜合考量,不能只憑借一點特征就過早地下結(jié)論。造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力,遠(yuǎn)低于材料的屈服強度,而且一般是拉伸應(yīng)力,這個應(yīng)力可以是外加應(yīng)力,也可以是焊接、冷加工或熱處理產(chǎn)生的殘留拉應(yīng)力。只有特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時才會造成應(yīng)力腐蝕。例如B 黃銅只有在氨溶液中才會腐蝕破壞,而A 黃銅在水中就能破裂。應(yīng)力腐蝕破壞的端口,其顏色灰暗,表面常有腐蝕產(chǎn)物,而疲勞端口的表面,如果是新鮮端口通常較光滑,有光澤;而在壓力容器中的材料方面可以做出一些改變,如在不銹鋼中增加碳、氮等可以對穩(wěn)定奧氏體組織有利的元素,這樣可以提高不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性,進(jìn)而降低破裂情況的發(fā)生概率。
三、壓力管道和壓力容器防腐蝕的基本內(nèi)容
01管道在工作環(huán)境中的腐蝕損傷,是關(guān)系到裝置的安全性、可靠性以及使用壽命的重要問題。特別是化工裝置的管道,在高溫、低溫、高壓及強腐蝕性介質(zhì)中使用,與其他工業(yè)裝置相比,使用條件非??量?,因此壓力管道的防腐蝕設(shè)計,就是在設(shè)計中為防止腐蝕而采取的較為完善的措施,尤為重要。
02在考慮防腐蝕材料的選擇上要選擇有良好的耐蝕性能的材料,從腐蝕的速率(一般要求為.05~0.1mm/a),材料有沒有產(chǎn)生局部腐蝕的條件及材料耐局部腐蝕的性能,耐應(yīng)力腐蝕破裂及腐蝕疲勞性能;防腐蝕強度設(shè)計就是對于全面腐蝕的腐蝕裕度的確定,也就是說“腐蝕裕度”,加到原有的壁厚上去。那么在設(shè)計時,也要盡量避免使用會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的金屬。但在實際生產(chǎn)中難以避免,因此應(yīng)設(shè)法消除殘余應(yīng)力,以防止應(yīng)力腐蝕破裂的發(fā)生。
03壓力容器的腐蝕還與后續(xù)的制造安裝工藝有著密切關(guān)系,所以在之后的各種工藝上的加工制作也都要嚴(yán)格把控。為了防止壓力容器腐蝕,在加工上可以采取熱加工成型替代冷加工成型的方法。而對壓力容器應(yīng)力腐蝕比較嚴(yán)重的就要整體進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理或者有效的局部熱處理。
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