石油化工静设备应力腐蚀开裂成因与防护措施

石油化工静设备应力腐蚀开裂成因与防

护措施

摘要：在我国，因石油化工应力腐蚀而造成的破坏在石油化工腐蚀中的占比

约为50%。放眼世界，在日本，经对设备腐蚀破坏事故的统计分析发现，在短短

17年的时间内，共发生此类事故306起，在开裂原因分析中发现，应力腐蚀导致

的约42.2%；在美国，杜邦公司也对此类事故进行过相应的调查，同样正是应力

腐蚀开裂在此类破坏事故中的发生具有高占比性和高危害性。所以，石油化工设

备应力腐蚀开裂的预防成为重中之重。基于此，本文将对石油化工静设备中应力

腐蚀开裂成因及防护措施展开深入研究。

关键词：石油化工；静设备；应力腐蚀

引言

应力和腐蚀造成的损害占机械设备损害的很大一部分，特别是在石油化工部门，由于石油化工行业的特殊工作环境，该部门的腐蚀可能高达50%。日本还对

内部腐蚀造成的损害进行了调查，发现42.2%的应力腐蚀损害是在整个17年期间

对设备造成的。结果表明，受约束的腐蚀对机械设备造成的损害相当大，特别是

在石油化工行业。因此，就石油化工设备而言，防止设备腐蚀应力的损害也应被

列为一个更重要的位置，在分析设备时应避免这种情况，作为对应力腐蚀机理的

基本分析的一部分。

1应力腐蚀开裂

应力腐蚀主要是由于材料在腐蚀环境和受约束环境中的双重作用而造成的腐

蚀破坏。由于约束腐蚀是必不可少的，“约束”和“腐蚀”是必不可少的，因此

约束有可能腐蚀环境，而腐蚀有助于断裂。例如，在高温环境中，当温度升高时，金属或合金内部原子的结合方式发生变化，电子热运动增加，初始电子作用减弱，金属和合金的强度降低，而当时的应力值为减小此临界应力值会使材料更容易腐

蚀，换句话说，较高的温度会使金属或合金更容易腐蚀。例如，在腐蚀环境中，

腐蚀环境会局部损坏金属氧化膜，在金属表面形成腐蚀坑，然后转变成原子核和

膨胀过程，从而迅速降低材料承受局部应力的能力，并最终迅速断裂，即腐蚀过

程和应力腐蚀裂纹产生脆性裂纹，且裂纹扩展，裂纹方向垂直于应力方向，主裂

纹还可能在周边传播其他小裂纹。应力腐蚀分为点腐蚀、晶体之间的腐蚀(发生

在每个可溶解物的晶粒之间的边界内)、裂纹腐蚀(通常发生在材料混合以保持液

体的地方)和总腐蚀(金属表面的均匀腐蚀)。应力腐蚀裂纹具有以下特征:①应力

通常是静态的，拉伸应力。②强迫腐蚀破坏一般是脆弱的断裂。③裂纹扩展速度

开始缓慢，随着裂纹扩展，应力可以局部降低，在一定的临界点，材料会突然断裂。④应力腐蚀裂纹往往扩散到腐蚀孔和裂纹中。

2石油化工静设备中应力腐蚀的开裂原因

2.1拉应力作用引发的开裂

在石油化工行业中，拉应力是所使用设备中的一种常见力的类型，出现拉应

力的原因主要有两个方面：一是制造中生成的拉应力；二是使用中生成的拉应力。众所周知，在石油化工工业生产中，所用到的重型设备数量较大，此类设备中产

生的拉应力也多一些。对于重装备而言，其生产过程难以实现精细化生产，这是

拉应力产生的一个重要原因。

2.2特定的金属或合金成分

在使用过程中，石油化工设备的环境温度高、湿度大、易受腐蚀和损坏。因此，化工设备的制造材料要求很高除低合金钢等材料外，碳钢等其他材料，不锈

钢等微量元素也可以加入，提高材料的耐蚀性。

2.3设备材质不达标引发的开裂

在石油化工设备的投产应用中，受高温、湿热环境的影响，其中所含有的化

学物质种类丰富，进一步加剧了腐蚀损坏的发生率。因而，对化工设备的制造材

料的要求相对高一些，设备材质不达标是造成腐蚀开裂的的又一个主要原因。为

避免这种问题，在采购投产设备的过程中，应尽可能优选低合金高强度钢、碳素

钢、不锈钢等材质的设备，为提升其防腐性，还可适量加入一些具有抗腐蚀性的

微量元素。

3应对石油化工静设备中应力腐蚀开裂的防护措施

3.1选材和工艺优化

关于材料的选择，首先需要澄清两点:第一，合金腐蚀主要适用于某些环境，而不是所有环境。例如不锈钢304含有铬，比纯铬耐硝酸能力差。第二，大多数

石油化工静态设备材料能够保证使用寿命和使用质量，应力腐蚀和裂纹不多。因此，在选择材料时，应提高耐蚀性差异意识，静态设备的不同部分因所处的小环

境而异，选择不同的材料进行施工，关键部分应特别注意使用非例如，奥地利不

锈钢对氯化元素的耐蚀性较低，在含氯环境中，最好使用其他合金来降低腐蚀开

裂的风险。在工艺方面，应优化设备生产工艺，减少设备生产过程中的残馀死亡

应力。优化设备结构，因为大多数静态设备是重型设备而不是标准设备，所以设

备结构和技术在制造中仍然非常重要，只有良好的结构才能减少设备生产过程中

的应力损失，从而减少应力腐蚀。

3.2文明施工，提升残余应力的消除有效性

在静设备应力腐蚀开裂原因分析中，其中多数是因生产中残余应力过大导致的，所以，在设备运行阶段，如何做好残余应力的削减工作，是降低设备腐蚀开裂、提升设备质量、延长设备寿命的重中之重。在设备运行过程中，设备零部件

组装和焊接是最易生成残余应力的主要环节，通过原因分析发现，零部件的组装

阶段中如现场施工操作人员不以规范方式进行组装操作时，往往会出现工艺质量

不达标问题，这是导致人为应力残留的主要原因。此外，组装中的暴力拆卸也是

造成设备组装问题的一个重要因素，比较常见的有尺寸链和公差链的组装不符合

规范要求等，从而导致生成集中应力。如在组装中不做应力消除处理，还会因质

量不过关而出现残余应力。除前述原因外，在消除焊接中出现的残余应力过大问题，应加强对施工作业人员的专业管理，确保其操作规范，严格按照焊接工艺组

织施工，对施工中出现的后续应力，根据实际情况进行及时处理，尤其是在焊接

那些大型工件和多人合作焊接时，都应做好集中应力和残余应力的排除工作。举