压力容器脆性破坏与应力腐蚀的控制

第4期 内 蒙 古 林 学 院 学 报( 自然科学版) Vol. 19 No. 4 1997年12月 JOURNAL OF NEIM ENGGU FOREST RY COLLEGE Dec. 1997 压力容器脆性破坏与应力腐蚀的控制 ? 金淑青1 赵明洁2 王国忠3 (1. 内蒙古林学院, 呼和浩特, 010019; 2. 河北师大职业技术师范学院, 石家庄, 050031) 摘要 本文论述了应力腐蚀对压力容器的危害、 特征及应力腐蚀产生的原因并提 出了在工程实际生产中所应采取的预防和控制性措施。 关键词 压力容器; 应力腐蚀; 残余应力 中图资料分类号 T H49; TQ051. 3 压力容器的脆性破坏是压力容器在许可设计应力水平以下产生急速破裂, 又称之为低应 力破坏, 其破坏特征表现为断裂开始时变形很小, 断口平直而光亮, 一般称之为解理型断口, 在 铁素体钢中一般为穿晶断裂, 在大尺寸结构中出现人字形纹路, 其尖端指向断裂的起点。 作为 断裂的起点往往是结构中的缺陷或几何形状的突变处。 事故常发生在较低的温度下, 此时材料 的韧性差, 断裂的速度是极快的, 脆断的后果往往很严重。 其破坏原因多为由于选材、 结构设计 不当; 焊接、 制造、 热处理等工艺过程处理不好与检验的疏忽; 以及由于蠕变、 疲劳、 腐蚀、 应力 腐蚀等使用和操作等种种原因而引起, 其中应力腐蚀裂纹是引起压力容器破坏的主要原因之 一。 据英国对压力容器事故进行调查发现由于应力腐蚀而导致破坏的占1/ 5左右; 英美对原子 能压力容器及配管事故调查占1/ 3以上; 据美国杜邦公司调查, 在腐蚀事故中, 应力腐蚀约占 33%; 而日本在不锈钢腐蚀问题调查中, 应力腐蚀占60. 8%; 我国国内压力容器破坏事故中, 应 力腐蚀所引起的事故也占1/ 3左右 1, 2。 由此可见, 在压力容器的腐蚀破坏形式中最引人注目的 是应力腐蚀, 本文拟就此问题进行一些探讨。 1 应力腐蚀的特征 应力腐蚀又称为腐蚀开裂, 是金属在腐蚀性介质和拉伸应力的共同作用下而产生的一种 破坏形式, 金属发生腐蚀时, 腐蚀和应力相互促进, 一方面腐蚀使金属的有效截面积减小, 表面 形成缺口, 产生应力集中, 另一方面应力加速腐蚀的进程, 使表面的缺口向深处扩展, 最终导致 断裂。 应力腐蚀破坏的构件, 其宏观特征一般表现为表面局部腐蚀严重, 而且最后常常是脆性断 裂, 这是与构件所处的应力状态有关, 因为在裂纹根部产生的应力集中, 往往处于一种三向拉 伸的应力状态。 应力腐蚀裂纹一般是沿着晶界分布, 也可以是穿晶分布, 或者是兼具上述两种 特征的混合型裂纹。 应力腐蚀的断裂面大体上总是与主拉伸应力相垂直, 而这种腐蚀只有在拉 ? 收稿日期: 1997- 11-10 伸应力状态下才能发生, 构件受压缩应力时, 是不会产生应力腐蚀的。 2 应力腐蚀产生的原因 通过大量的实际资料及分析表明, 应力腐蚀的发生往往是在一定的条件下才能产生, 应力 腐蚀裂纹的发生与发展主要受三方面的因素影响: 2. 1 材料的化学成份与组织 实践表明: 钢材强度越高, 产生应力腐蚀裂纹的倾向也越大, 综合许多国内外调查资料可 以看出, 屈服强度高于320 Mpa 的钢材焊制的液氨贮罐, 几乎全部都发现有应力腐蚀裂纹; 而 屈服强度低于220 Mpa 的低碳钢贮罐, 只有比例数很小的几台存在少量的应力腐蚀裂纹。 而且 产生应力腐蚀的设备材料, 主要是奥氏体不锈钢与碳钢 3。 2. 2 应力的状态与大小 存在应力是产生应力腐蚀的必要条件之一。 外加应力和残余内应力均可产生应力腐蚀, 外 应力可以通过计算求出, 而残余应力的计算则较为复杂, 且后者无论在设备运转或停工中都经 常起作用, 是产生应力腐蚀的主要因素。 而在残余应力中又以焊接残余应力为主, 冷变形残余 应力次之, 负荷应力更次之。 引起应力腐蚀破坏的应力分类调查 2, 见表1。 表1 引起应力腐蚀破坏的应力分类调查 引起破坏的应力种类产生 scc 的工件数比例, % 残余应力9079. 7 热应力1715. 0 负载应力43. 5 安装时的约束力21. 8 合 计113100 通过上表可以看出残余应力在应力腐蚀问题中占有相当大的比例, 而且在残余应力中焊 接残余应力又居首位, 所以我们重点谈一下焊接残余应力问题。 2. 2. 1 焊接残余应力产生的原因 焊接过程中产生残余应力的主要原因, 是在焊接时局部被加热时在焊件上产生了不均匀 温度场, 从而导致了不均匀的膨胀。 处于高温区的材料在加热过程中的膨胀量大, 但受到周围 温度较低、 膨胀量小的部分材料的限制, 而不能自由地进行膨胀, 于是就出现了拉应力, 使高温 区材料受到挤压, 产生局部压缩塑性应变。 在随后的冷却过程中, 经受压缩塑性应变的部分, 由 于不能自由收缩而受到拉伸, 于是焊件中出现了一个与焊接加热方向大致相反的内应力场。 这 种随温度、 时间变化的内应力, 当焊件冷却至常温时, 残存于焊件中的应力就成为残余应力。 焊 接残余应力的计算, 通常是把焊接过程归结为二维非定常热传导问题, 其残余应力场的确定, 可归结为一个非定常热弹塑性问题的求解, 目前较为有效的方法是有限元法。 除上述原因以外, 在热影响区及焊缝金属上, 还会由于各种金相组织的比容不同, 而在材 料相变时产生相变应力, 造成残余应力的叠加。 大量的应力腐蚀破坏事例表明, 多数裂纹靠近 46 内 蒙 古 林 学 院 学 报1997年 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 焊缝, 也说明了焊接残余应力是个主要原因。 2. 2. 2 残余应力对应力腐蚀的影响 残余应力按照其作用的范围分为三类: a. 宏观残余应力; b. 组织残余应力; c. 晶粒内部不 均匀产生的残余应力, 见表2 2 。 表2 残余应力的分类 残余应力 领域的长度,mm 10 1 10- 110- 210- 310- 410- 510- 6 第一种外部不均匀负荷残余应力 第二种组织的残余应力 第三种 晶粒内不均匀残余应力 位错附近不均匀残余应力 但在工程实际中的残余应力一般是三种 类型并存。 应力腐蚀的裂纹源大都是从晶界或 晶内的微裂纹开始, 三种残余应力相互之间是 有关系的, 目前的研究仍限于宏观残余应力 上。 宏观残余应力对应力腐蚀的影响起着外 载荷应力的附加应力作用, 即叠加在外载荷应 力上。 图1是带有不同残余应力的铝合金试件在 外力作用下的应力破断时间曲线 2。 图1 不同残余应力条件下, 铝合金的应力腐蚀 破断时曲线 A(表面残余应力- 4. 56+ 4. 56 Mpa) B( 表面残余应力- 22. 8+ 7. 6 Mpa) C(表面残余应力+ 137+ 7. 6Mpa) 铝合金(Cu0. 4% ,Zn5. 3% ,M g2. 8% ) 85 mm 介质: 0. 5 N NaCl+ 0. 005 N Na2CO3 这三种曲线的形态是相似的, 但经过仔细的分析可以发现, 三种曲线不是一种简单的叠 加。 由图看出, C 曲线和 A 曲线在相同破断时间内的应力值平均相差约为- 150 Mpa, 但残余 应力的平均值仅差- 75 Mpa。 即残余应力与外应力相比, 当应力的数值大小相近时, 残余应力 对应力腐蚀的影响更大一些。 2. 2. 3 腐蚀性介质的活性 在应力腐蚀中, 腐蚀性介质也同样占有非常重要的位置, 如果仅有较高的应力水平而没有 腐蚀性介质, 应力腐蚀将不会产生, 从介质上看, 引起应力腐蚀的介质以氯离子及含氨、 碱溶液 居多, 其它如: 硫化物、 CO、 CO2、 N2也可以引起应力腐蚀。 早在70年代在芬兰已首次证实无水 液氨贮罐长期使用后其应力腐蚀的严重性, 80年代在役液氨贮罐的应力腐蚀开裂问题增多, 几 乎在整个检测周期都发现裂纹 4 。 从50年代初开始, 美国就先后发生过多次液氨槽车、 农业施 肥用贮氨罐等的应力腐蚀破裂事故。 日本神奈川县对从1959年至1972年期间所制造的球罐进 行检查统计, 液氨球罐的裂纹率达88%, 其中大部分为应力腐蚀裂纹。 近20年来, 我国也发生过 几起液氨贮罐爆炸事故。 例如, 1979年3月16日, 山东省某县化肥厂一个容积为6. 45 m 3的卧式 47 第4期金淑青等 压力容器脆性破坏与应力腐蚀的控制 液氨贮罐在使用过程中突然破裂爆炸, 大量液氨冲出蒸发, 产生二次爆炸着火。 该贮罐直径 1. 236 m, 壁厚16 mm, 用20 g 钢板焊制。 经检查, 断口平齐, 有旧裂纹痕迹。 该贮罐破裂爆炸的 原因很多, 但由液氨引起的应力腐蚀是其中的主要原因之一 3。 值得注意的是, 无论是高浓度的氯化物, 或是高温高压水中含有微量氯, 都可能产生应力 腐蚀, 且两者没有本质的区别。 我国某化肥厂一台305 m 3换热器, 投入运行三个多月, 即发生了内部泄漏, 有52根换热管 被腐蚀穿孔, 造成换热器报废。 事后对其进行了断口、 能谱及金相组织的分析和理化检验, 均可 断定为是应力腐蚀断裂, 其腐蚀性介质为 H2S、 水蒸汽和水。 究其原因可以发现, 一方面是由于 制造质量不合格, 致使焊接后, 焊接残余应力较大, 组织发生变化特别是在靠近管板处, 焊接变 形的不一致以及管表面缺陷, 使应力集中加剧, 另外下管板处水蒸汽、 水、 H2S( 含量为0. 017% 0. 068%) 的存在, 为应力腐蚀提供了环境, 运行过程中, 内应力( 焊接残余应力) 和外应力( 工 作压力和温差应力引起) 使换热管受拉, 因此在换热管应力集中薄弱部位, 发生应力腐蚀 5。 1970年5月1日, 日本一台47立升、 15 Mpa 的压力容器突然破裂, 混合气体的组分为 CO 26%, CO214%, N260% 。 破片处发现许多应力腐蚀裂纹。 调查结果表明, 在许多同类容器中 也发现同样的应力腐蚀裂纹 1。 此外, 有资料表明, 某些碱性溶液、 腐蚀性产物、 长期的湿气作用以及氰化物和湿气的共同 作用均可以引起应力腐蚀裂纹, 这里就不一一例举。 3 预防应力腐蚀开裂所应采取的措施 前已述及, 由于应力腐蚀开裂所引起的事故在压力容器脆性破坏中占有相当大的比例, 所 以分析应力腐蚀事故的原因, 探讨各种影响因素, 说到底, 其目的是为了防止应力腐蚀事故的 发生, 即减少压力容器的脆性破坏事故, 根据以上的分析, 可以采取以下几种措施。 3. 1 合理的选择材料 在有腐蚀性介质的场合, 尽量选用屈服强度低于220 Mpa 的低碳钢及铁素体钢, 避免使用 奥氏体钢, 在必须选用高强钢的场合, 一定要在焊接工艺上采取措施, 选用优良的焊接工艺, 进 行焊前预热及在焊接过程中选择合适的“ 输入热量” 和保证焊接质量。 3. 2 消除与控制残余应力 从上述分析的情况看, 产生应力腐蚀的主要原因之一就是残余应力, 因此, 消除与控制残 余应力是解决压力容器应力腐蚀问题的重要途径之一。 其具体办法如下。 3. 2. 1 设计合理的焊接结构和选择优良的焊接工艺 脆性破坏的起源常常在焊缝及热影响区。 为了避免脆性断裂的危险, 焊接结构设计的原则 为: 尽量减少应力集中; 焊缝离应力集中处越远越好; 焊缝要便于检验等。 3. 2. 2 改变残余应力的方向或分布 由于压应力不会产生应力腐蚀, 因此, 可以通过 a. 控制残余应力方向的方法设法使金属 表面的拉应力变为压应力, 或降低金属表面的应力水平。 一般常用的方法为喷丸处理法、 通水 焊接和局部低温加热法; b. 采用加热或机械的方法使残余应力的数值减少。 常用的方法有: 热 处理法和机械振动法。 48 内 蒙 古 林 学 院 学 报1997年 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 3. 2. 3 在役期间的压力容器的管理 对在役期间的压力容器主要采用周期性的检验、 压力试验和运转中的检查。 a. 周期性的检查 可以在每次的维修或每间隔一定时间进行, 压力容器一般间隔时间为四年左右。 检查的手 段有肉眼观察及无损探伤。 无损探伤主要采用磁粉探伤。 对易积存腐蚀性介质部位的焊缝尽量 要求100%探伤, 其它部位也要求10% 探伤, 在发现裂纹后, 就要扩大检查范围。 超声波探伤主 要用于测量裂纹的深度和在役期间的检查。 b. 压力试验 在每次检查或维修时都要求做此试验, 压力试验包括水压试验和气密性试验。 在实际生产中, 残余应力对应力腐蚀起很大的作用, 在引起腐蚀的机械因素方面占据首 位。 虽然可以采用如前所述的许多方法, 但从生产实际反馈回的信息表明, 采用消除与控制残 余应力的方法是用得比较广泛且容易控制和掌握, 而且如果同时采用多种措施, 也往往离不开 它。 不过目前对残余应力的研究还不是很深入, 对于残余应力的测试与计算以及残余应力对应 力腐蚀的影响的定量化研究还很不透彻。 因此, 这也是我们今后的一项很重要的课题。 4 参考文献 1 国外压力容器技术编写组. 压力容器. 国外技术进展(下册). 合肥: 合肥通用机械研究所, 1972. 763799 2 黄峻. 应力腐蚀与消减残余应力的方法. 化工机械, 1983, 3: 4954 3 吴粤焱 木, 刘清芳编著. 锅炉压力容器安全工程学. 北京: 北京经济学院出版社, 1993. 363367 4 王明娥. 应力腐蚀及腐蚀开裂. 压力容器, 1997, 3: 4648 5 邢献军等. 小氮肥用换热器腐蚀破坏分析. 压力容器, 1997. 3: 53 BRITT LE FRACTURE OF PRESSURE VESSELS AND THE CONTROL AND