金属设备的应力腐蚀及预防措施

金属/设备的应力腐蚀及预防措施

一、应力腐蚀的机理和特点

1．应力腐蚀----金属/设备在拉应力和腐蚀介质同时作用下产生脆性破裂，叫应力腐蚀破裂。

2．应力腐蚀破裂的裂缝形态----主要有二种：

a.沿晶界发展，称晶间破裂。

b.裂缝穿过晶粒，称穿晶破裂。

也有混合型，主逢为晶间型，支缝或尖端为穿晶型。

3．应力腐蚀的特征----

a.必须存在拉应力（外加载核、热应力、冷/热加工或焊

接后的残余应力等），若存在压应力则可抑制这种腐蚀。

b.发生应力腐蚀开裂(SCC)必须同时满足材料、环境、应

力三者的特定条件。也就是说一般只发生在一定的体系，

如奥氏体不锈钢/CI-体系，碳钢/NO-3体系，铜合金/NH+4

体系等。根据介质主要成分为氯化物、氢氧化物、硝酸

盐、氨、含氧水及硫化物等，而分别称为氯裂（氯脆）、

碱裂（碱脆）、硝裂（硝脆）、氨裂（氨脆）、氧裂（氧脆），

还有硫化物应力开裂等。

c. 应力腐蚀开裂与单纯由机械应力造成的开裂不同，它

在极低的负荷应力下也能产生开裂。

d. 应力腐蚀开裂与单纯由腐蚀引起的开裂也不同，腐蚀

性极弱的介质也能引起应力腐蚀开裂。其全面腐蚀常常

很轻，而且没有变形预兆，即发生突然断裂，应力腐蚀

是工业生产中危害性最大的一种恶性腐蚀类型。

4．应力腐蚀的机理----应力腐蚀的机理很复杂，按照左景伊提出的理论，破裂的发生和发展可区分为三个阶段：

a.金属表面生成钝化膜或保护膜。

b. 钝化膜或保护膜局部破裂，产生孔蚀或裂缝源。

c.裂缝内发生加速腐蚀，在拉应力作用下，以垂直于应

力的方向深入金属内部。裂缝多半有分枝，裂缝端部尖

锐，端部的扩张速度很快，断口具有脆性断裂的特征。

二、应力腐蚀试验方法

根据应力的加载方法不同，应力腐蚀试验方法主要可分为以下四类：

1．恒变形法----给予试样一定的变形，对其在试验环境中的开裂敏感性进行评定

2．恒载荷法(SSCC)----方法有拉伸试验、弯梁试验、C形环试验、双悬臂梁试验，常用拉伸试验，即把单轴拉伸

型的试样进行H2S水溶液应力腐蚀试验，试验介质

为%HAc+5%NaCl+饱和H2S水溶液，试验在恒负荷拉伸应

力腐蚀试验机上进行。试验时按不同的应力级别（取材

料屈服强度的百分比）分别对试样加载，经过一定时间

后发生应力腐蚀开裂，记录其断裂时间。最长试验周期

为720小时，把试样在720小时不发生断裂视为合格。

通过试验达到二个目的：（1）检测材料在一定的应力级别下是否很好地抵抗应力腐蚀开裂；（2）可以测定材料的“临界拉伸应力σth”,对同样的材料分别施加不同的应力级别，试样在720小时不发生断裂的最高应力称为“临界拉伸应力σth”，σth为表示材料对H2S应力腐蚀敏感度的重要指标，也叫门槛值。通过比较断裂时间的长短，或利用应力与断裂时间的关系曲线，来提出应力腐蚀开裂的临界应力σth。详见GB/T4157-2006《金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验》。

普通低合金钢、16MnR、调质钢、临界应力到倍屈服强度的材料可用此试验方法。

3．慢应变速率法（SSRT）----是在专门设计的慢应变速率应力试验机上，使试样在腐蚀介质中以一定的应变速度拉伸，直至断裂。分析试样的破断情况和断口特征，以评定其应力腐蚀开裂敏感性。此类试验最重要的特征是在裂纹萌生或扩展区域内，产生相当低的应变速率，所以被称做慢应变速率试验。

a.试验原理----（略）

b.结果的评价

（1）在试样完全破坏时，是否发生应力腐蚀破裂，可通过低倍显微镜检查二次裂纹，或通过破断表面

的显微镜观察，检查断裂模式的变化加以确定。

（2）应力腐蚀破断平均速率，可从完全破断的试样断面上或未破断的试样截面上，测得的最长裂纹的

长度除以破断时间来确定。

（3）可用将暴露在试验环境中和暴露在惰性环境中的相同试样进行比较的方法来评定应力腐蚀破裂的

敏感性，比值偏离越远，则开裂敏感性越高。

试样在试验环境中得到的结果

比值=----——————————————

试样在惰性介质环境中得到的结果结果可用同一个初始应变速率下的一个或多个参

数来表示。

(a)断裂时间

(b)延性（用断面收缩率或断后伸长率来评定）

(c)达到的最大载荷

(d)标准应力—延伸曲线所包围的面积

(e)断面中应力腐蚀破裂所占的百分数

（4）慢应变速率试验也能够用来测定临界应力值，超过此值，在给定的应变速率下会产生可检测到的

裂纹。在某些体系中，临界值可能是应变速率的

函数。

有的文章介绍说这种试验方法的优点是可以将实

际用材与实际工况直接相结合，快速、准确地进

行抗应力腐蚀开裂性能的评估，在石油、化工、

海洋、核电等领域内，这一试验研究技术得到大

量的应用。

详见GB/《金属和合金的腐蚀-应力腐蚀试验-第7

部分：慢应变速率试验》。

调质钢、07MnMoVR采用这种方法，不适用H2S应

力腐蚀。

4．断裂力学法----使用楔形张开加载型试样进行研究，对预先制有裂纹的试样给以各种K值，测定裂纹停止扩展

的临界值K ISCC。

5．此外，还有GB/T17898-1999《不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法》、GB/T10126-1988《铁-铬-镍合金

在高温水中应力腐蚀试验方法》等试验标准。

三、应力腐蚀的预防措施

在晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀、氢腐蚀、腐蚀疲劳等局

部腐蚀形态中，对晶间腐蚀的研究较为深入，能采用的工

程对策较为具体，在各种腐蚀试验的标准方法中，主要都

用于科学试验，只有晶间腐蚀敏感性检验还用作为工程材

料和设备的检验措施。在对晶间腐蚀进行有效控制和检验

后，这些年才把化工过程设备产生的晶间腐蚀失效事故降

到占各种腐蚀失效事故总和的10%以下，所以对压力容器

的晶间腐蚀进行控制和检测，一直是必要措施。而应力腐