不锈钢压力容器应力腐蚀开裂

不锈钢压力容器应力腐蚀开裂

前言：目前，应力腐蚀裂纹已成为工业（特别是石油、焦化行业的压力容器）中越来越突出的问题。据统计，压力容器设备中的焊接结构，破坏事故主要是由腐蚀而引起的脆化，如应力腐蚀裂纹、腐蚀疲劳及氢损伤或氢脆等，其中约半数为应力腐蚀裂纹。但由于应力腐蚀裂纹多发生在压力容器工作后的一段时间，很多压力容器制造企业只注意出厂前的射线合格率，没有在腐蚀方面给与足够重视，造成泄露事故时有发生。

一、产品裂纹假设性分析

2014年，公司一台主体材质S31603、厚度10脱苯塔，开车仅3个月后发生微泄露，经过公司间交涉，按相关法律法规，制定相关工艺对此设备进行修补，期间造成了很大的经济损失，事后高度重视此问题，通过查阅公司档案，整理相关资料，发现仅在2010-2013年间有3台焦化行业用压力容器出现此问题，图1为2014年塔器的现场裂纹外貌，图2为焊缝横截面高倍显微镜图。

图1 图2

我公司这几台塔器主体材质为奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢焊接时比较容易，一般不会发生冷裂纹，主要存在焊接热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、焊接接头的脆化。因为热裂纹主要发生在焊接过程中，塔器丁字接口100%射线，射线合格，所以首先排

除焊接热裂纹，此几台塔器都为工作后接触介质产生的裂纹，所以提出以下假设理论：假设理论1：此裂纹是晶间腐蚀裂纹，那么贫铬理论及敏华温度将是主要影响因素。此几台塔器主要材质是S30408、S31603，工作温度为350℃附近，奥氏体不锈钢的敏化温度区间为560-700℃，工作温度未达到敏华区间，这几台塔器有1台为S30408，其余为S31603，S31603为超低碳不锈钢，含碳量小于0.03%，可以有效的防止贫铬层的形成，所以结晶裂纹的可能性比较小。

假设理论2：此裂纹为接头脆化引起的裂纹，那么N元素将是造成脆化的一个主要因素，但几台塔器的焊接方法为埋弧自动焊，是低氮、低氢的焊接方法，一般不会造成脆化，虽然Cr、Mo等元素有明显的σ化作用，但在S31603、S30408中含量很低。

假设理论3：此裂纹为应力腐蚀裂纹，奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的实效形式，也是最为复杂难解决的问题。应力腐蚀的金相特征是裂纹从表面开始向内部扩展，点腐蚀往往是裂纹的根源，裂纹的尖端常出现分枝，裂纹整体为树枝状，裂纹的端口呈龟裂状，通过现场观察2014年塔器的裂纹发现，裂纹蜿蜒曲折，裂纹在横向和纵向上都有延伸，通过横截面电子显微镜观察，符合应力腐蚀裂纹的开裂的可能性比较大。

二、应力腐蚀裂纹的概述

1、应力腐蚀裂纹的概念

金属材料在特定腐蚀环境下受拉应力作用时，所产生的延迟开裂现象，成为应力腐蚀裂纹，亦成为SCC。

2、应力腐蚀裂纹的特征

从表面裂纹形貌看外观常呈龟裂形状，断断续续，而且在焊缝上以近似横向发展的裂纹居多数。横断面上SCC犹如干枯的树枝根须，由表面向纵深方向发展，裂口的深宽比大到几十至100以上，细长而尖锐，往往存在大量二次裂纹，即带有多量分枝。从断口微观形貌分析，均为脆性断口，常附有腐蚀产物或氧化物，断口呈沿晶或穿晶，

有时为混合型断口。

3、应力腐蚀裂纹的形成

1）纯金属一般不会产生SCC，但凡是合金，即使含微量合金，在特定的环境下都有一定的SCC倾向。不过，不是在任何环境中都产生SCC。奥氏体不锈钢最易产生SCC 的环境如表一

表一

2）形成应力腐蚀裂纹的条件及开裂过程

是否产生SCC决定于三个条件：合金、介质及拉应力。三个条件同时具备时，经过裂纹开始形核、扩展和破裂三个过程。

孕育阶段—形成局部性的最初腐蚀裂口，拉应力起了主要作用，它使材料表面造成塑性变形，形成活化的滑移系统，局部地点产生“滑移阶梯”，导致合金表面膜破坏，当错位沿某一滑移面通过时，在表面上出现断层，暴漏在腐蚀介质中的金属“阶梯”因无保护而快速溶解，滑移的交点最容易腐蚀而成腐蚀坑。

扩散阶段—腐蚀裂口在拉应力与腐蚀介质的共同作用下，沿启裂点向深处发展，也向横向扩展（此为不锈钢特有的特有的性质）

破裂阶段—发展的最快的裂纹最终崩溃性发展，产生裂纹。

4、影响应力腐蚀裂纹的因素

1）应力的作用

拉应力的存在时SCC的先决条件，压应力不会引起SCC，在没有拉应力存在时，通常可产生SCC的环境，但只能引起微不足道的一般腐蚀，般造成SCC的应力主要是残

余应力（焊接残余拉应力、组装残余应力等）。

2）介质的影响

介质的浓度与温度对SCC形成有影响，锈钢最易产生SCC的介质如表一。

三、产品裂纹浅析

各人认为此类裂纹为应力腐蚀裂纹可能性最大,有如下理由：

1、通过产品裂纹假设性分析、应力腐蚀裂纹的概述、相关观察此裂纹的开裂特点与应力腐蚀开裂的特点相似，主要特征为：龟裂形状、尖端常出现分枝、裂纹整体为树枝状、裂纹在横向和纵向上都有延伸等

2、通过相关塔器档案发现，此裂纹主要产生在丁子口附近。丁字口焊缝有错变量大、焊接热影响区重叠、焊缝高凸等特点，这些特点将造成残余应力集中。残余应力是应力腐蚀裂纹开裂的三条件之一。

3、通过相关档案发现，此几台塔器的介质含有高温水蒸气、少量的硫化氢等，这些介质将加大应力腐蚀开裂的敏感程度。

4、水压试验后，吹扫不彻底。压力容器液压试验一般都为卧式试压，在丁字口处很容易出现水存现象，一般压力容器制造厂水压试验后都采用自然风干，在封闭的容器内可能需要几天或者几个月来风干，水中Cl-长期存在造成了应力腐蚀开裂敏感性增大。

通过以上分析各人认为此裂纹应为应力腐蚀裂纹。

四、防治措施

1、合理设计焊接接头，避免腐蚀介质在焊接接头部位集中，降低或消除焊接接头的应力集中。例如避免强行组装、控制错口量等。

2、尽量降低焊接残余应力，选择合理的焊接工艺使焊道成形良好。

3、合理选择焊接材料，保证接头组织均匀。

4、采用合理工艺方法保证焊接接头部位光滑洁净，避免焊接飞溅物，电弧划伤等。