不锈钢应力腐蚀破裂成因的分析

不锈钢应力腐蚀破裂成因的分析

曹新生

(包头市职工大学,内蒙古　包头　014030)

摘　要:本文对不锈钢应力腐蚀破裂的原因特征进行了分析,并提出了防止合金材料应力腐蚀的措施。

关键词:不锈钢;应力腐蚀破裂;拉应力

中图分类号:T G172.9 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2002)12—0212—02

应力腐蚀破裂(简记为SCC)是在拉应力和腐蚀介质联合作用下金属材料所发生的一种局部腐蚀破坏,破坏形态是裂纹、裂缝直至断裂。这是一种危害十分严重的局部腐蚀。有人对不锈钢设备发生的腐蚀破坏事故进行统计分析,虽具体数字不一样,但SCC都高居榜首,占50%以上。加之SCC有一个或长或短的孕育期,在孕育期中腐蚀外露特征很少,难以发现;进入发展期后裂纹扩展速度很快。当裂纹穿透设备壁厚,就会发生泄漏。对于某些设备和重要部件,当剩余截面承受不了负荷而破裂,就可能造成容器爆炸、桥梁坍塌、飞机失事、油气井燃烧等恶性事故,带来灾难性后果。

1　不锈钢应力腐蚀破裂的特征

111　SCC的特征之一是,对一种合金材料,并非在所有环境中都会发生SCC,而是只有在某些“特定”的介质中才会发生。反过来,在一种环境中,并非所有合金材料都会发生SCC,而是只有某些合金能够发生。这就是说,SCC对环境具有选择性。经分析已经报道了许多“SCC合金—环境组合”。比如奥氏体不锈钢,可能造成SCC的环境包括:氯化物溶液、N aC l-H2O2溶液、海水、H2S、N aO H-H2S溶液、含氯化物的冷凝水汽等。其中以氯化物溶液最为普遍,由氯化物溶液导致的奥氏体不锈钢SCC,常称为氯化物SCC。又如铜合金,最常见的一种特定介质是氨(氨及其溶液,含氨的大气,以及有机胺)。铜合金不会在含氯化物的环境中发生SCC,而奥氏体不锈钢也不会在含氨环境中发生SCC,这是表明SCC对环境选择性的典型例子。至于碳钢在氢氧化钠溶液中发生SCC(所谓“碱脆”,“苛性脆化”)这种合金—环境组合,也是人们熟知的。

对合金发生SCC的“特定”环境进行分析表明,在这些特定环境中合金材料的均匀腐蚀速度一般很小,这是因为合金材料表面形成了钝化膜。而特定环境中所含的某些组分能使钝化膜局部破坏,形成蚀孔或裂纹源。许多SCC裂纹是从蚀孔引发的。其次,对特定环境的特定性不能绝对化,因为不仅一种合金材料发生SCC的特定介质的报道越来越多,而且很多特定介质只需极其微量。当然,在工业上有重要实际意义的合金—环境组合并不多,对奥氏体不锈钢来说,氯化物溶液是其克星,普通奥氏体不锈钢不仅容易发生SCC,而且容易发生孔蚀、缝隙腐蚀破坏,也可能发生晶间腐蚀破坏。

特定环境还应包含氧(或其他氧化剂)和温度。在低浓度氯化物溶液中,氧含量增大则奥氏体不锈钢发生SCC所需要的氯离子浓度降低;如果无氧,就不会发生SCC,这是因为SCC包含有腐蚀反应。温度的影响也很显著,一般来说,温度升高使SCC 发生的趋势增大,但各种合金—环境体系发生SCC 的临界温度不同,有些在常温下可发生,有些需在某个温度以上,有些则要在沸腾条件下。显然,发生SCC的温度还与特定介质的浓度、应力水平等因素有关。过去讲奥氏体不锈钢在实际环境中发生的氯化物SCC在70℃以上,但在常温下也可能发生。112　SCC需要拉应力(静态应力),裂纹与应力方向垂直,形态有晶间型(裂纹沿晶界)和穿晶型(裂纹穿过晶粒)。一般认为,压应力不会造成SCC。而交变应力与腐蚀介质的联合作用则造成腐蚀疲劳,当然低频交变应力也可能造成SCC。

拉应力的来源有三:一是设备负荷(工作应力),运行中产生的热应力。二是加工制造和安装过程中

212内蒙古科技与经济 2002年第12期　

产生的残余应力。三是腐蚀产物膨胀造成的应力,这是因为腐蚀产物体积比被腐蚀掉的金属的体积大,会造成“楔入作用”。

在几种应力中,残余应力所占比重最大。设备都要经过各种加工,如冷却、热加工、铸造、焊接等等,这些加工过程都会在设备内造成残余应力。比如焊接,可以产生很高的残余应力,如果焊接方法不当,造成的残余应力更大。据分析,焊接应力可以达到材料的屈服强度。奥氏体不锈钢具有加工硬化特性,如果冷加工(如卷板)后再焊接,将使残余应力大大增加。

113　合金材料的组成、组织结构、热处理也会影响其耐SCC性能。比如奥氏体不锈钢对氯化物SCC 敏感,而铁素体不锈钢、双相不锈钢具有较好的耐氯化物SCC性能。就奥氏体不锈钢而言,增加镍含量,加入较多的硅,降低杂质P、N含量,有利于提高其耐氯化物SCC性能。

2　防止不锈钢应力腐蚀破裂的方法

211　防止合金材料发生SCC的最有效方法是控制应力。如果设备的服役环境含有该合金材料的特定介质,使用中有可能发生SCC,那么在设计时应降低设备的工作应力水平。有些材料如碳钢和低合金钢,存在“SCC临界强度”,在设计时可取最大有效应力低于临界强度来防止SCC发生。但实际材料都有缺陷,如微裂纹,根据断裂力学引进了“SCC临界强度因子”。临界强度和临界强度因子都可以作为强度设计时的参考。

同时,在设计时应使应力分布尽可能均匀,减小局部应力集中的程度。设备外形应成流线型,采用尽可能大的曲率半径。尽量避免切口,截面突然变化,尖锐棱角、沟槽、开孔等,或将这些边、角、槽、开孔设计在低应力区或压应力区,并做一定的处理,如锐角倒圆、毛刺磨掉、内角填平。对应力可能集中的关键部位,可适当增加部件壁厚。

对于加工中形成的残余应力,用热处理进行消除是一种普遍采用的方法。各种金属材料都有专门的消除应力热处理规范,可按规范进行。另外,不锈钢在热处理时如处理不当可能造成敏化,增加晶间腐蚀倾向。这些都应予以注意。

大型设备在现场进行整体热处理既费事,费用又高,只有关键设备才采用。所以,也可对残余应力较大的部位进行局部热处理。如果局部热处理也不可能,则在设计时就应考虑采取相应的措施。比如合成氨厂的脱碳塔为碳钢设备,接触的苯菲尔脱碳液为热钾碱溶液,这是碳钢SCC的一种特定介质,因此要求脱碳塔制造完毕后消除残余应力。由于塔高50多米,为运输方便分成两段制造,制造好后进行消除应力热处理,运到现场后再组焊起来。但组焊的焊缝部位难以进行消除应力热处理。为了解决这一问题,一种办法是两段都制造成一个塔,现场施焊是在两塔的连接裙座上进行,该焊缝不接触脱碳液,热处理自然也不需要了。另一种办法是在两段的端部各先焊一短段304L型不锈钢,与碳钢塔体一并消除应力。现场组焊是在不锈钢短接上进行。由于304L型不锈钢在苯菲尔溶液中不发生SCC,也不需对组焊缝进行热处理。

212　避免SCC的合金—环境组合也是有效的方法。如果组合中的特定环境就是设备的服役环境,那么就不应选择这种合金材料制造设备。比如海洋中使用的设备和结构件,用海水作冷却介质的热交换器管束,氯碱厂的盐水贮罐等,不应选用普通奥氏体不锈钢。因为在这种氯化物环境中奥氏体不锈钢不仅会发生SCC,还容易发生孔蚀和缝隙腐蚀,蚀坑常常成为SCC的裂纹源。随着工业的发展,不断有耐SCC性能更好的合金品种问世,为选材提供了更大的空间。

213　如果组合中的特定介质只是服役环境中的杂质,而且这些杂质并不影响生产过程,那么对环境进行处理,除去这些杂质就是有效的控制方法。比如大化肥装置采用奥氏体不锈钢水冷器,同时对循环冷却水进行处理,严格控制水中氯化物含量。在主体溶液中有害杂质可能很低,符合控制要求,但在缝隙、死角等处有害杂质因迁移困难而浓缩,干湿交替状态使表面液膜中的有害杂质因蒸发而浓缩,造成局部区域有害杂质浓度比本体溶液高许多。

214　在条件适合时可采用有效的防护技术,如金属覆盖层、缓蚀剂、阴极保护来防止SCC。

〔参考文献〕

〔1〕　陆世英等1不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力腐蚀不锈钢1原子能出版社,1985

〔2〕　窦照英1电力工业的腐蚀与防护1化学工业出版社,1997

〔3〕　杨慧莹1全面腐蚀控制,1987

收稿日期:2002年10月15日

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　2002年第12期 不锈钢应力腐蚀破裂成因的分析