9 承压设备损伤模式识别.doc

_9 承压设备损伤模式识别第01讲承压设备损伤模式识别（一）一、损伤、失效及检验方法概述二、常见损伤模式、案例及检验策略1.腐蚀损伤2.材质劣化3.机械损伤4.其他损伤三、小结一、损伤、失效及检验方法概述几个概念：损伤损伤模式失效失效分析事故事故调查检验技术检测技术评价技术检测技术无损检测性能试验发现和量化缺陷。想办法找出缺陷评价技术应用断裂力学、损伤力学等应用科学，分析设备的安全性。能不能用？能用多久？解决方案？关于检验种类及评定方法依据法规的检验基于失效模式的检验（或针对性检验、预知检验）基于风险的检验（RBI）在线检验基于安全状况等级的评定方法基于损伤寿命的评定方法可靠性、失效概率评定方法等等第02讲承压设备损伤模式识别（二）二、常见损伤模式、案例及检验策略GB/T305792014承压设备损伤模式识别（5类73种）第1类：腐蚀减薄（25）全面腐蚀（均匀腐蚀）：盐酸、硫酸、氢氟酸、磷酸、二氧化碳（碳酸）、环烷酸、苯酚、有机酸、高温氧化、大气（有、无隔热层）、冷却水、土壤、苛性碱、氯化铵、胺、高温硫化物、酸性水、甲铵腐蚀等局部腐蚀（非均匀腐蚀、局部减薄）：微生物腐蚀、锅炉冷凝水腐蚀、燃灰腐蚀、烟气露点腐蚀等等第2类：环境开裂（13）氯化物应力腐蚀开裂、碳酸盐、硝酸盐、碱、氨、胺、湿硫化氢破坏（氢鼓包、氢致开裂、应力导向型氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂）、氢氟酸致氢应力开裂、氢氰酸致氢应力开裂、氢脆、高温水、连多硫酸、液体金属脆断等第3类：材质劣化（15）晶粒长大、渗氮、球化、石墨化、渗碳、脱碳、金属粉化、相脆化、475C脆化、回火脆化、辐照脆化、钛氢化、再热裂纹、脱金属腐蚀、敏化晶间腐蚀等等第4类：机械损伤（11）机械疲劳、热疲劳、振动疲劳、接触疲劳、机械磨损、冲刷、汽蚀、过载、热冲击、蠕变、应变时效等等第5类：其他损伤（9）高温氢腐蚀、腐蚀疲劳、冲蚀、蒸汽阻滞、低温脆断、过热、耐火材料退化、铸铁石墨化腐蚀、微动腐蚀等等1.腐蚀损伤（腐蚀减薄环境开裂）腐蚀概述金属与周围介质间由于化学或电化学作用而引起的破坏称为腐蚀。腐蚀是冶金的逆过程。金属腐蚀是一个十分复杂的过程：环境介质的组成、浓度、压力、温度、pH值等千差万别；金属材料的化学成分、组织结构、表面状态等各种各样；由于受力状态不同，也会对腐蚀损伤造成很大的影响。腐蚀的分类方法按作用的性质分为化学腐蚀和电化学腐蚀；按腐蚀的形态分为全面腐蚀和局部腐蚀；按腐蚀发生的环境和条件可分为大气腐蚀，工业水腐蚀，土壤腐蚀，酸碱盐腐蚀，海水腐蚀，高温腐蚀，应力腐蚀等等。按作用的性质分为化学腐蚀和电化学腐蚀；按腐蚀的形态分为全面腐蚀和局部腐蚀、应力腐蚀等。化学腐蚀电化学腐蚀基础（原理、表征、影响因素等）极化曲线电化学阻抗谱曹楚南：电化学阻抗谱导论电化学阻抗谱承压设备损伤模式识别国家标准中，腐蚀减薄、环境开裂和其他中都涉及到腐蚀的内容本讲按下面的大类介绍常见的腐蚀：全面腐蚀局部腐蚀（以上两种类同于腐蚀减薄）应力腐蚀（环境开裂）氢损伤（环境开裂）腐蚀疲劳土壤腐蚀1.1 全面腐蚀（均匀腐蚀或局部的均匀腐蚀）全面腐蚀是在整个金属表面上以比较均匀的方式所发生的腐蚀现象。当发生全面腐蚀时，村料由于腐蚀而逐渐变薄，甚至材料腐蚀失效。全面腐蚀所引起的失效问题并不怎么令人担心，因为，这种腐蚀通常可以通过简单的浸泡试验或查阅腐蚀方面的文献资料而预测它。检验中通过简单的测厚可发现它。盐酸、硫酸、氢氟酸、二氧化碳（碳酸）、环烷酸、苯酚、有机酸、高温氧化、大气（有、无隔热层）、冷却水、土壤、碱、氯化铵、胺、高温硫化物、酸性水、甲铵腐蚀等。1.1.1 盐酸腐蚀损伤描述及损伤机理金属与盐酸接触时发生的全面或局部腐蚀。Fe2HClFeCl2H2损伤形态碳钢和低合金钢表现为均匀减薄，介质局部浓缩或露点腐蚀时表现为局部腐蚀或沉积物下腐蚀。奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢表现为点蚀，形成直径为毫米级的蚀坑，甚至可发展为穿透性蚀孔。受影响的材料碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢。主要影响因素盐酸浓度：随盐酸浓度升高，腐蚀速率增大。温度：随温度升高，腐蚀速率增大；合金成份，催化或钝化剂。常压塔顶油气线内壁及压力引出口盐酸腐蚀形貌1.1.2 硫酸腐蚀损伤描述及损伤机理金属与硫酸接触时发生的腐蚀。FeH2SO4（稀）FeSO4H2损伤形态通常表现为壁厚均匀减薄或点蚀，碳钢焊缝和热影响区易遭受腐蚀，在焊接接头部位形成沟槽。受影响的材料按耐腐蚀性从弱到强排列：碳钢、316L不锈钢、铸铁主要影响因素酸浓度（65%质量比）流速（超过0.6米/秒）温度等硫磺装置管线弯头及直管内壁酸性气腐蚀形貌1.1.3 氢氟酸腐蚀损伤描述及损伤机理金属与氢氟酸接触时发生的腐蚀。Fe2HFFeF2H2损伤形态碳钢腐蚀表现为局部区域减薄；发生腐蚀时也可能伴随氢脆、氢鼓包和/或氢致开裂以及应力导向氢致开裂；发生腐蚀时可能会形成明显的氟化亚铁垢皮受影响的材料碳钢，铜镍合金；低合金钢、300系列不锈钢和400系列不锈钢对氢氟酸腐蚀和/或开裂敏感，一般不能用于氢氟酸使用环境。主要影响因素流速，浓度，温度，碳钢中的残留元素，如Cu、Ni、Cr氢氟酸烷基化装置蒙乃尔400合金法兰上的穿晶型应力腐蚀裂纹1.1.4 二氧化碳腐蚀损伤描述及损伤机理金属在潮湿的二氧化碳环境（碳酸）中遭受的腐蚀。H2OCO2FeFeCO3H2损伤形态腐蚀多发生于气液相界面和液相系统内，以及可能产生冷凝液的气相系统冷凝液部位；腐蚀区域壁厚局部减薄，可能形成蚀坑或蚀孔；在紊流区，碳钢发生腐蚀时可能形成深度点蚀和沟槽；受影响的材料：碳钢、低合金钢。主要影响因素：浓度（pH值），温度某井下油气管线内壁CO2腐蚀形貌1.1.5 环烷酸腐蚀损伤描述及损伤机理常减压装置中，管线，在177427温度范围内，环烷酸对金属材料的腐蚀。2RCOOHFeFe（RCOO）2H2损伤形态高流速区可形成局部腐蚀，如孔蚀、带锐缘的沟槽；低流速凝结区，碳钢、低合金钢和铁素体不锈钢的腐蚀表现为均匀腐蚀或孔蚀。受影响的材料碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和镍基合金。主要影响因素酸值、温度、硫含量、流速、相态等1.1.6 有机酸腐蚀损伤描述及损伤机理金属与低分子有机酸（如甲酸、乙酸、乙二酸等）接触时发生的全面腐蚀或局部腐蚀。以甲酸为例，腐蚀过程为：Fe2HCOOHFe（HCOO）2H2损伤形态碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢表现为均匀减薄介质局部浓缩或露点腐蚀时表现为局部腐蚀或沉积物下腐蚀。受影响的材料碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢主要影响因素酸类型，浓度或pH值，温度案例：液化气储罐泄漏爆燃事故分析某公司溶剂罐内介质自底部排污管泄漏，引发发生一起爆燃事故。溶剂罐内污水分析结果序号检测项目单位检测结果1乙酸%4.092丙酸%1.2332二甲氨基乙基乙酸酯%1.584戊酸%0.48第03讲承压设备损伤模式识别（三）1.1.7 大气腐蚀损伤描述及损伤机理：电化学腐蚀。阳极反应：Fe Fe22eFe2 Fe3e阴极反应：O22H2O4e4OH（中性或碱性溶液）O24H4e2H2O （酸性溶液）损伤形态碳钢和低合金钢表现为均匀减薄或局部减薄，敷设隔热层的表现为覆盖层下局部减薄受影响的材料碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铝主要影响因素大气成份，湿度、温度等某电厂设备及管线保温层下腐蚀形貌1.1.8 碱腐蚀损伤描述及损伤机理苛性碱或碱性盐的浓缩通常在蒸发或高传热条件下造成金属腐蚀。损伤形态多表现为局部腐蚀，水汽界面的介质浓缩区域在腐蚀后形成局部沟槽；温度高于79的高浓度碱液可引起碳钢的均匀腐蚀，温度达到93时腐蚀速率非常大。受影响的材料碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢。主要影响因素碱液浓度：主要是苛性碱（氢氧化钠或氢氧化钾），碱浓度越高，腐蚀越严重。 浓缩温度：随温度升高，腐蚀速率增大。锅炉水冷壁管内壁碱腐蚀形貌1.1.9 高温硫化物腐蚀损伤描述及损伤机理碳钢或其他合金在高温下与硫化物反应发生的腐蚀。FeRSFeSR损伤形态多为均匀减薄，有时表现为局部腐蚀；表面覆盖有硫化物膜受影响的材料所有铁基材料， 镍基合金主要影响因素合金元素：硫化物腐蚀取决于产生保护性硫化物膜的能力温度：通常铁基合金温度超过260时开始发生高温硫化物腐蚀，温度越高，腐蚀越快硫含量1.1.10 甲铵腐蚀损伤描述及损伤机理金属与尿素合成过程中的中间产物甲铵接触时发生的腐蚀。甲铵根据其受氧气保护的不同程度可以分为钝化腐蚀、活化腐蚀和过氧腐蚀。甲铵对碳钢和低合金钢具有强烈的腐蚀作用，在较短时间内可以腐蚀穿透金属器壁。甲铵对不锈钢的腐蚀形态可分为晶界优先型全面腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀和刀口腐蚀。主要影响因素a）氧浓度：介质中的氧浓度合适时可以缓解甲铵对不锈钢的腐蚀，氧浓度过高或过低都会加剧腐蚀；b）流速：流速越快，腐蚀速率较大；c）合金含量：按耐蚀能力递增顺序排列为碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢；主要预防措施a）采用尿素级不锈钢，控制碳含量；b）在介质中通入适量氧气来抑制甲铵的腐蚀。检测或监测方法：检测方法一般为宏观检查和腐蚀部位壁厚测定。甲铵腐蚀，刀状腐蚀1.1.11 苯酚腐蚀损伤描述及损伤机理金属与苯酚（石碳酸）接触时发生的腐蚀。损伤形态碳钢发生苯酚腐蚀时表现为均匀腐蚀或局部腐蚀；存在流体冲刷时多引起局部腐蚀。受影响的材料：碳钢、304L不锈钢、316L不锈钢、合金C276主要影响因素：温度，浓度，流速材质：按耐腐蚀从弱到强为：碳钢、304L不锈钢、316L不锈钢、 合金C2761.1.12 高温氧化腐蚀损伤描述及损伤机理高温下金属与氧气发生反应生成金属氧化物损伤形态碳钢和低合金钢等多数合金表现为均匀腐蚀，在金属表面形成氧化物膜；300系列不锈钢、镍基合金高温氧化形成暗色氧化物薄膜。受影响的材料：碳钢、低合金钢、300、400系列不锈钢、镍基合金主要影响因素：温度：随温度升高腐蚀加剧合金成分：Cr元素有助于形成保护性氧化物膜1.1.13 冷却水腐蚀损伤描述及损伤机理冷却水中由溶解盐、气体、有机化合物或微生物引起的腐蚀损伤形态冷却水中存在溶解氧时，碳钢多为均匀腐蚀；以垢下腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀或微生物腐蚀为主时多为局部腐蚀受影响的材料：碳钢、不锈钢、铜、铝、钛和镍基合金主要影响因素：温度，氧含量，结垢，流速，水质1.1.14 氯化铵腐蚀损伤描述及损伤机理氯化铵在一定温度下结晶成垢，在无水情况下发生均匀腐蚀或局部腐蚀。损伤形态腐蚀部位多存在白色、绿色或褐色盐状沉积物；垢下腐蚀多为局部腐蚀，如点蚀；腐蚀速率可能极高。受影响的材料：碳钢、低合金钢、不锈钢、钛、合金400、合金800等主要影响因素：材质，结晶程度，水分，温度1.1.15 胺腐蚀损伤描述及损伤机理胺液中溶解的酸性气体、胺降解产物、耐热铵盐和其他腐蚀性杂质引起的碳钢均匀腐蚀或局部腐蚀损伤形态介质流速较低时多为均匀腐蚀；介质流速高并伴有紊流时，多为局部腐蚀；沉积物处表现为垢下腐蚀。受影响的材料：碳钢、低合金钢主要影响因素：介质，胺浓度，杂质，温度，流速1.1.16 酸性水腐蚀（碱式酸性水）损伤描述及损伤机理硫氢化铵酸性水腐蚀：NH4HSH2OFeFeSNH3H2OH2损伤形态介质流动方向发生改变的部位，或硫氢化铵浓度超过 2%（质量比）的紊流区，易形成严重局部腐蚀；低流速区可能出现结垢，发生垢下局部腐蚀；硫氢化铵会迅速腐蚀海军黄铜和其它铜合金。受影响的材料：碳钢、不锈钢主要影响因素：PH值，浓度，流速，温度，紊流状态，杂质，合金成分1.1.17 酸性水腐蚀（酸式酸性水）损伤描述及损伤机理含有硫化氢且 pH 值介于 4.57.0 之间的酸性水引起的腐蚀：阳极：Fe Fe22e 阴极：2H2eH2损伤形态一般为均匀减薄，有氧存在时易发生局部腐蚀或沉积垢下局部腐蚀；含有 CO2的环境还可能同时出现碳酸盐应力腐蚀；奥氏体不锈钢易发生点蚀，还可能出现缝隙腐蚀，以及氯化物应力腐蚀开裂。受影响的材料：碳钢、不锈钢主要影响因素：硫化氢浓度，PH值，杂质，流速第04讲承压设备损伤模式识别（四）1.2 局部腐蚀（非均匀腐蚀、局部减薄）点腐蚀（坑蚀）、 晶间腐蚀、 选择性腐蚀、电偶腐蚀、 缝隙/垢下腐蚀磷酸、微生物腐蚀、锅炉冷凝水腐蚀、燃灰腐蚀、烟气露点腐蚀、等等1.2.1 点蚀点蚀是在金属表面上局部形成的具有一定深度的小孔或锈斑 。由于点蚀常常被锈层、腐蚀产物等覆盖，因而难以发现。在金相显微镜下观察点蚀，其断面有多种形貌。奥氏体不锈钢最容易产生点蚀。点蚀形态及截面形状案例：天然气管道泄漏事故分析水中氯离子含量检测结果样品名称小清河阀室西侧水沟清河柴油厂友谊桥下卧铺路南侧双王城阀室西侧小河荣乌高速南侧问题牛头镇定向钻两侧入土点台头阀东侧路边沟氯离子含量（mg/L）9221099126965221170794248机理点蚀是在金属表面非金属夹杂物、析出相、晶界、位错露头等缺陷处，由于钝化膜较脆弱，在特定腐蚀介质作用下，钝化膜修复能力差而造成的破坏。点蚀的出现包括成核和扩展二个阶段。点蚀的成核：在溶液中有Cl存在时，金属表面有硫化锰夹杂的部位产生优先溶解并形成小孔坑。硫化物溶解产生H（或H2S），对不锈钢的新鲜表面产生活化作用，防止小孔坑的再钝化而形成孔蚀源。点蚀的扩展：孔蚀源形成后，溶解下来的金属离子会产生水解而生成H并使局部溶液的pH值下降，进而又加速金属的溶解，使孔坑进一步扩大，加深。随着蚀孔加深并由于腐蚀产物覆盖了蚀坑口，从而使蚀孔内物质迁移困难，导致蚀孔内pH值的进一步降低。同时，Cl在蚀孔内富集，使蚀孔进一步加速扩大并加深，最后形成点蚀。1.2.2 缝隙腐蚀缝隙腐蚀是局部腐蚀的一种形式，它可能发生于溶液停滞的缝隙之中或屏蔽的表面内。这样的缝隙可以在金属与金属或金属与非金属的接合处形成，例如，在与铆钉、螺栓、垫片、阀座、松动的表面沉积物相接触之处形成。不锈钢表面上若存在金属和非金属夹杂物，例如金属微粒，砂粒，灰尘，脏物，海生物，或者由于结构上的原因，例如铆接，螺栓联接，垫片（圈），管与管板胀接，与非金属接触等，均可形成缝隙。在腐蚀介质作用下，缝隙内出现腐蚀，就是缝隙腐蚀。缝隙腐蚀一般根据缝隙形状不同而具有一定的外形。轻微时，可以是缝隙内的一般（全面）腐蚀，严重时，多为成片的点蚀状或溃疡状。研究表明，几乎所有的腐蚀介质均可引起不锈钢的缝隙腐蚀，而没有特定介质的选择。但是在含Cl环境中的缝隙腐蚀则最为常见；缝隙腐蚀对缝隙尺寸有一定的要求，既要使缝隙内、外溶液之间的物质迁移发生困难，还要能允许溶液进入缝隙内，不锈钢产生缝隙腐蚀的缝隙宽度一般在0.0250.1mm范围内。机理：缝隙腐蚀可分为孔蚀型缝隙腐蚀和活化型缝隙腐蚀二种。前者是以孔蚀为起源的缝隙腐蚀，主要是由于缝隙内钝化膜的氧化性破坏而引起的；后者的形成机理简述如下：由于缝隙的存在，缝隙内溶液组成物质迁移产生困难。例如，腐蚀溶液中能使不锈钢钝化的氧进入缝隙，只能通过扩散，因而过程缓慢。为了维持不锈钢钝态，缝隙内氧迅速耗掉而又得不到及时补充，致使不锈钢表面钝化膜开始还原性溶解。这种溶解的结果使腐蚀产物金属盐逐渐浓缩，通过水解，缝隙内溶液的pH值急剧下降。当pH值降低到不锈钢在溶液中的去钝化pH值时，缝隙内不锈钢表面的钝化膜便产生还原性破坏而形成缝隙腐蚀。材料选择不锈钢的缝隙腐蚀主要是因为缝隙内的溶液酸化、缺氧而引起表面钝化膜破坏。因而，提高不锈钢钝化膜的稳定性和钝化、再钝化能力，是提高不锈钢耐缝隙腐蚀能力的重要措施。因此，选用耐点蚀材料的一些措施同样适用于耐缝隙腐蚀材料的选择。1.2.3 晶间腐蚀晶间腐蚀是腐蚀局限在晶界和晶界附近而晶粒本身腐蚀比较小的一种腐蚀形态。产生晶间腐蚀的设备、部件等，其尺寸，外形几乎没有变化且无任何塑性变形；除受腐蚀的区域外，其它部位没有任何腐蚀的迹象，仍具有明显的金属光泽；局部取样检查，受腐蚀部位的强度，塑性已严重丧失，冷弯时不仅出现裂纹，严重时常常出现脆断和晶粒脱落且落地无金属声。产生晶间腐蚀的机理一般说是“贫铬理论”。实质是敏化。敏化奥氏体不锈钢含碳量较高，属于非稳定态（即不含钛或铌等稳定化元素），室温时碳在奥氏体中的溶解度很小，约为0.02%0.03%，远低于不锈钢的实际含碳量，故过饱和的碳被固溶在奥氏体中，当温度超过425并在425815范围内停留一段时间时，过饱和的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬元素化合，在晶间形成碳化铬的化合物，如Cr23C6等。铬在晶粒内扩散速度比沿晶界扩散的速度小，内部的铬来不及向晶界扩散，在晶间形成的碳化铬所需的铬主要来自晶界附近，结果就使晶界附近的含铬量大为减少。当晶界的铬质量分数低到小于12%时，就形成所谓的“贫铬区”，贫Cr区和晶粒本身存在电化学性能差异，使贫Cr区（阳极）和处于钝化态的基体（阴极）之间建立起一个具有很大电位差的活化钝化电池。贫Cr区的小阳极和基体的大阴极构成腐蚀电池，在腐蚀介质作用下，贫铬区被快速腐蚀，晶界首先遭到破坏，晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化，机械强度大大降低，然而变形却不明显。这种碳化物在晶界上的沉淀一般称之为敏化作用。损伤形态发生敏化时，一般尺寸、外形无明显变化且不会发生塑性变形敏化部位可能仍保持着明亮的金属光泽，但塑性完全丧失金相显微镜或扫描电镜下可观察到晶界明显变宽，多呈网状，严重时可观察到明显的晶粒脱落；含稳定化元素的奥氏体不锈钢的焊接接头发生敏化和晶间腐蚀时，可在接头区域观察到独有的“刀状腐蚀”（或称刃状腐蚀）；敏化后的材料在腐蚀介质作用下易发生晶间腐蚀受影响的材料：奥氏体不锈钢检测方法：金相分析或扫描电镜观察案例：CNG加气母站管道破裂样品1的裂纹样品2的裂纹元素CSiMnPSCrNiCu标准要求0.071.002.000.0350.03017.0019.008.0011.00/样品0.0890.4978.915.0.0550.00314.282.0471.032裂纹部位存在大量由于应力引起的滑移线，奥氏体晶界处出现大量腐蚀坑，材料已处于敏化态冰糖状沿晶断口，断面上残留有腐蚀产物断面残留有腐蚀产物能谱分析不锈钢晶间腐蚀机理示意图1.2.4 刀状腐蚀在含Ti、Nb的CrNi奥氏体不锈钢焊缝与母材之交界处的很窄区域内产生严重腐蚀，而母材和焊缝本身则腐蚀轻微，甚至未见腐蚀，金相显微镜下观察可见晶间腐蚀的特徽。研究表明，含Ti的CrNi不锈钢，无论是在氧化性介质，还是在还原性介质中，均可产生刀状腐蚀。机理：局部敏化贫铬理论尿素合成塔内衬层的刀状腐蚀1.2.5 磷酸腐蚀损伤描述及损伤机理金属与磷酸接触时发生的腐蚀：3Fe2H3PO4Fe3（PO4）23H2损伤形态碳钢发生磷酸腐蚀时多呈局部腐蚀或点蚀受影响的材料：碳钢、304L、316L不锈钢、合金20主要影响因素：酸浓度，温度，氯化物杂质（促进作用），停机水洗作业1.2.6 锅炉冷凝水腐蚀损伤描述及损伤机理锅炉系统和蒸汽冷凝水回水管道发生的腐蚀，多由溶解的氧气、二氧化碳等气体引起损伤形态除氧系统工作不正常时，很少的氧气就可引发锅炉冷凝水腐蚀，多表现为点蚀，呈溃疡状，金属表面形成黄褐色或砖红色鼓包，腐蚀产物去除后，可见金属表面的腐蚀坑；冷凝水回水系统的腐蚀多由 CO2引起，在管壁形成平滑凹槽。受影响的材料：碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、铜合金主要影响因素：溶解气体浓度，pH值，温度，给水水质1.2.7 燃灰腐蚀损伤描述及损伤机理燃油或燃煤中的杂质（主要为 S、Na、K、V），在加热炉、锅炉、燃气涡轮的金属表面沉积和熔化生成的熔渣熔解了表面的氧化物膜，使膜下新鲜金属裸露出来，和氧气反应再次生成氧化铁等氧化物，如此往复，加速材料在高温下的损耗。损伤形态结渣处产生严重金属损耗，金属腐蚀速率可达 2.525 mm/年；使用燃油的过热器和再热器沉积燃灰在室温下呈暗灰色或黑色的外观；熔融态硫酸盐将腐蚀产物烧结并覆盖在表面，形成粘着力很强的玻璃状硬垢，去除燃灰沉积物后，金属基体表面呈鳄鱼皮状，腐蚀浅槽纵横交错；水冷壁开裂以环向为主，整体表现为环向凹槽；受影响的材料：锅炉、加热炉常用材料主要影响因素：温度，合金成分，熔渣类型，金属表面状态1.2.8 烟气露点腐蚀损伤描述及损伤机理燃料燃烧时燃料中的硫和氯类物质形成二氧化硫、三氧化硫和氯化氢，低温（露点及以下）遇水蒸气形成酸，对金属造成腐蚀。损伤形态省煤器或其他碳钢或低合金钢部件发生烟气露点腐蚀时会形成宽而浅的蚀坑；余热锅炉中的奥氏体不锈钢制给水加热器，可能发生表面应力腐蚀开裂，裂纹整体外观呈发丝状。受影响的材料：碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢主要影响因素：杂质含量，温度（硫酸露点138，氯化氢露点54 ）第05讲承压设备损伤模式识别（五）1.3 应力腐蚀开裂（SCC）应力腐蚀开裂是指承受应力的合金在腐蚀性环境中由于裂纹的扩展而互生失效的一种通用术语。发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力（不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之）和特定的腐蚀介质存在。裂纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。承压设备损伤模式识别、容器定检规中称为“环境开裂”（共列出13种）：氯化物应力腐蚀开裂、碳酸盐、硝酸盐、碱、氨、胺、湿硫化氢破坏（氢鼓包、氢致开裂、应力导向型氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂）、氢氟酸致氢应力开裂、氢氰酸致氢应力开裂、氢脆、高温水、连多硫酸、液体金属脆断等等。裂纹特征 应力腐蚀的宏观裂纹均起自于表面且分布具有明显的局部性；裂纹的走向与所受应力，特别是与残余应力有密切关系；裂纹常呈龟裂和风干木材状，裂纹附近未见塑性变形；除裂纹部位外，其它部位腐蚀轻微，且常有金属光泽。在微观上，穿过晶粒的裂纹称为穿晶裂纹，而沿晶界扩展的裂纹称为沿晶裂纹。应力腐蚀裂纹的微观形貌多为穿晶型，但也多见沿晶型和穿晶沿晶混合型；裂纹的宽度较小，而扩展较深，裂纹的纵深常较其宽度大几个数量级；裂纹既有主干也有分支，典型裂纹多貌似落叶后的树干和树枝，裂纹尖端较锐利。典型的应力腐蚀开裂裂纹及其微观形貌沿晶裂纹穿晶裂纹断口形貌 应力腐蚀的宏观断口多呈脆性断裂。断口的微观形貌，穿晶型多为准解理断裂，并常见河流，扇形，鱼骨，羽毛等花样；而沿晶型则多为冰糖块状花样。断口扫描电镜微观形貌解理微裂纹沿晶断口，晶间存在微裂纹1.3.1 氯化物应力腐蚀开裂奥氏体不锈钢及镍基合金在拉应力和氯化物溶液的作用下发生的表面开裂。损伤机理氯离子易吸附在奥氏体不锈钢表面的钝化膜上，取代氧原子后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，导致钝化膜破坏。破坏部位的新鲜金属遭腐蚀，局部表面的钝化膜继续遭氯离子破坏生成氯化物。氯化物水解使pH值下降，局部溶液呈酸性，对金属进行腐蚀，造成多余的金属离子，为平衡蚀坑内的电中性，外部的氯离子不断向坑内迁移，使坑内氯离子浓度升高，水解加剧，加快金属的腐蚀。如此循环，形成自催化。（氯离子踹门点蚀应力集中局部开裂）损伤形态材料表面发生开裂，无明显的腐蚀减薄； 裂纹的微观特征多呈树枝状，金相观察可观察到明显的穿晶特征。敏感材料： 奥氏体不锈钢最敏感；铁素体不锈钢和镍基合金次之。主要影响因素检测方法一般为材料表面宏观检查怀疑部位渗透检测；案例：封头处穿透裂纹1.3.2 碱应力腐蚀开裂损伤描述及损伤机理与碱溶液接触的设备表面发生的应力腐蚀开裂，多出现在未进行消除应力热处理的焊缝附近，它可在几小时或几天内穿透整个设备或管线的壁厚以碳钢为例，机理如下：碳钢在高温下与水蒸气产生如下的化学反应：3Fe4H2OFe3O44H2在这个反应中，如存在氢氧化钠，可起催化作用。反应生成的Fe3O4覆盖在钢材表面，形成一层保护膜。局部拉伸应力过高时会破坏保护膜，在金属表面形成最初的腐蚀裂纹。氢氧化钠可在裂纹中富集，形成电偶腐蚀。裂纹尖端区域为阳极，裂纹周围的保护层为阴极，形成小阳极大阴极的结构，加上拉伸应力的作用，使裂纹迅速扩展，最终发生断裂。序号名称材质厚度层数1内衬层316L8mm12盲板层Q235A6mm13内筒16MnR12mm14层板15MnVR8mm6mm92应力腐蚀开裂内衬层腐蚀强度层开裂内衬层背侧应力腐蚀开裂完整的检验评价1.3.3 氨应力腐蚀开裂碳钢和低合金钢在无水液氨中，或铜合金在氨水溶液和/或铵盐水溶液环境中，发生应力腐蚀开裂。以碳钢为例，无水液氨对碳钢只产生很轻微的均匀腐蚀，但液氨储罐在充装、排料及检修过程中，容易遭受空气的污染，空气中的氧和二氧化碳加速氨对碳钢的腐蚀；腐蚀反应中产生的氨基甲酸氨对碳钢有强烈的腐蚀作用，且焊缝处残余应力较高，可使钢材表面的钝化膜产生破裂，造成应力腐蚀开裂。损伤形态铜合金多为表面开裂，裂纹穿晶或沿晶扩展，裂纹中存在浅蓝色腐蚀产物；（换热器管束表面裂纹）在液氨中使用的碳钢，如未进行热处理，焊缝金属和热影响区都可能发生开裂。 （要求低于5 ，含水量0.2%）受影响的材料铜合金、碳钢。1.3.4 连多硫酸应力腐蚀开裂停工期间设备表面的硫化物腐蚀产物与空气和水反应生成连多硫酸（H2SxO6，x36），造成敏化的奥氏体不锈钢产生开裂（易发生在高应力区域或焊接接头热影响区），裂纹一般为沿晶扩展。这种开裂与奥氏体不锈钢在经历高温阶段时碳化铬在晶界析出，晶界附近的铬浓度减少，形成局部贫铬区有关。损伤形态易发生在奥氏体不锈钢的敏化区域，多为沿晶型开裂，开裂可能在短短几分钟或几小时内穿透。受影响的材料主要是奥氏体不锈钢主要影响因素环境、材料、应力某公司制氢转化炉炉管下不锈钢法兰在大检修后开工时发生开裂泄漏转化炉原料气为天然气，含一定杂质，下法兰在运行过程中，富集的H2S与其他活性硫直接与设备表面金属铁发生反应生成FeS。停工期间设备表面的硫化物腐蚀产物与空气和水反应生成连多硫酸。1.3.5 碳酸盐应力腐蚀开裂损伤描述及损伤机理碳钢和低合金钢在碳酸盐溶液环境中及拉应力作用下焊接接头附近表面发生的应力腐蚀开裂（碱应力腐蚀开裂的一种特殊情况）损伤形态常见于焊接接头附近母材，裂纹沿平行于焊缝方向扩展；裂纹起源于焊接接头内应力集中的缺陷位置，裂纹细小呈蜘蛛网状；裂纹大多沿晶扩展，裂纹内充满氧化物。受影响的材料：碳钢、低合金钢主要影响因素：应力，pH值，碳酸盐浓度1.3.6 硝酸盐应力腐蚀开裂损伤描述及损伤机理碳钢和低合金钢在硝酸盐、硫化物及氮氧化物环境中及拉应力作用下焊接接头区域发生的应力腐蚀开裂。损伤机理以阳极溶解为主：10Fe 6NO3 3H2O 5Fe2O3 6OH 3N2损伤形态常见于焊缝金属和热影响区，裂纹多为纵向，焊缝金属裂纹多为横向；裂纹大多沿晶扩展，裂纹内充满氧化物。受影响的材料：碳钢、低合金钢主要影响因素：应力，温度，硝酸盐浓度1.3.7 胺应力腐蚀开裂损伤描述及损伤机理碳钢和低合金钢在拉应力和有机胺溶液联合作用下发生的应力腐蚀开裂（碱应力腐蚀开裂的一种特殊情况）损伤形态常见于焊接接头热影响区及附近高应力区；热影响区裂纹多平行于焊缝；裂纹一般沿晶扩展，裂纹内充满氧化物。受影响的材料：碳钢、低合金钢主要影响因素：胺类型和浓度，拉应力水平，温度1.3.8 高温水应力腐蚀开裂损伤描述及损伤机理金属构件高拘束区在高温水（300）环境及拉应力作用下发生的表面开裂损伤形态多发生于酸性或碱性高温水溶液中焊接接头区域，尤其是硬度值高的部位；厚壁容器易产生较大的焊接残余应力，敏感性高。裂纹一般为穿晶型受影响的材料：奥氏体不锈钢、镍基合金主要影响因素：应力水平，pH值，材料强度，组织，溶解氧，温度1.3.9 液体金属脆断损伤描述及损伤机理某些熔融金属和特定固体合金材料接触时，液体金属吸附在固体金属材料表面后能促进固体材料位错的发生、增殖和运动，当位错发生和运动达到临界状态时，脆性微裂纹就在原裂纹顶端或在无位错区中形核并解理扩展。损伤形态：形成沿晶裂纹，裂纹内充满低熔点金属受影响的材料：碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、镍基合金、铜合金、铝合金、钛合金主要影响因素：材料组合敏感性，拉应力，温度第06讲承压设备损伤模式识别（六）1.4 氢损伤氢损伤的分类及其特征见下表分类方式氢损伤类型特 征按氢的来源内部氢由于材料在冶炼、热处理、焊接、电镀、酸洗过程中吸收的氢，氢来自于材料内部。外部氢材料在使用过程中与氢气氛接触。或阴极电化学反应产生氢。e-+ H+ = H按产生方式氢腐蚀生成气体氢化物。氢与金属中的第二相（夹杂物、合金添加剂）反应生成高压气体。如：在铜中：2H + O = H2O在钢中： 4H + C = CH4氢鼓包、白点金属材料内部的氢形成分子氢。H + H = H2氢化物型IVB和VB族金属和氢有较大的亲和力，易产生氢化物，导致材料脆化。如：钛氢化1.4.1 湿硫化氢破坏在含水和硫化氢环境中碳钢和低合金钢所发生的损伤，包括氢鼓泡、氢致开裂、应力导向氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂四种形式。氢鼓泡：金属表面硫化物腐蚀产生的氢原子扩散进入钢中，在钢中的不连续处（如夹杂物、裂隙等）聚集并结合生成氢分子，当氢分压超过临界值时会引发材料的局部变形，形成鼓泡；氢致开裂：氢鼓泡在材料内部不同深度形成时，鼓泡长大导致相临的鼓泡不断连接，形成台阶状裂纹；应力导向氢致开裂：在焊接残余应力或其他应力作用下，氢致开裂裂纹沿厚度方向不断相连并形成穿透至表面的开裂；硫化物应力腐蚀开裂：由于金属表面硫化物腐蚀过程中产生的原子氢吸附造成的一种开裂。损伤形态氢鼓泡：在钢材表面形成独立的小泡，小泡与小泡之间一般不会发生合并；氢致开裂：在钢材内部形成与表面平行的台阶状裂纹，裂纹一般沿轧制方向扩展，不会扩展至钢的表面；应力导向氢致开裂：一般发生在焊接接头的热影响区，由该部位母材上不同深度的氢致开裂裂纹沿厚度方向相连形成；硫化物应力腐蚀开裂：在焊缝热影响区和高硬度区表面起裂，并沿厚度方向扩展。受影响的材料碳钢、低合金钢。主要影响因素溶液的pH值小于4，且溶解有硫化氢。或溶液的pH值大于7.6，且氰化氢浓度20ppm并溶解有硫化氢；溶液中溶解的硫化氢浓度50ppm，或潮湿气体中硫化氢气相分压大于0.0003MPa氢鼓泡、氢致开裂、应力导向氢致开裂发生的温度范围为室温到150；硫化物应力腐蚀开裂发生在82以下；硬度是发生硫化物应力腐蚀开裂的一个主要因素。应控制焊接接头硬度在布氏硬度值200以下。提高钢材纯净度能够提升钢材抗氢鼓泡、氢致开裂和应力导向氢致开裂的能力；焊后热处理可以有效地降低焊缝发生硫化物应力腐蚀开裂的可能性，并对防止应力导向氢致开裂起到一定的减缓作用如果溶液中含有硫氢化铵且浓度超过2%（质量比）会增加氢鼓泡、氢致开裂和应力导向氢致开裂的敏感性。1.4.2 氢脆制造、焊接或服役等过程中氢原子扩散进入高强度钢中，使其韧性下降，在残余应力及外部载荷的作用下发生的脆性断裂，是氢引起的滞后开裂。损伤形态氢脆引起的开裂以表面开裂为主氢脆发生在高残余应力或三向应力部位（缺口、拘束区）；强度较高的钢中氢脆裂纹一般沿晶扩展。受影响的材料碳钢、低合金钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢和部分高强度镍基合金。主要影响因素同时满足以下三个条件时氢脆易发生：钢或合金中的氢达到临界浓度，钢及合金的强度水平和组织对脆断敏感，残余应力和外加载荷共同作用造成的应力高于氢脆开裂的临界应力；温度低于82案例：起重钢轨断裂某单位所使用U71Mn钢轨，使用过程中发生断裂。钢轨开裂形貌横截面磁粉检测断口扫描电镜微观形貌氢含量分布不均匀，且测点2处达到0.00037%（3.7ppm），具备产生白点的氢含量条件。元素名称元素含量（%）1234N0.0120.0110.0110.011H0.000120.000370.000200.000110.000100.00010O0.00120.00130.00140.0016含缺陷导轨受力条件有限元模拟1.4.3 高温氢腐蚀碳钢和合金钢在高温临氢环境中，氢进入钢材中并与碳反应生成甲烷气体，甲烷进入晶界或夹杂界面的缝隙形成气泡，随气泡压力的增大，靠近钢材表面的气泡会发生形变而鼓凸成为甲烷鼓泡，相邻晶界内气泡会长大并连接形成裂纹，腐蚀部位的钢材同时出现脱碳。C2H2CH4损伤形态碳钢的裂纹呈沿晶扩展，并靠近珠光体组织；分子氢或甲烷在钢材中的夹层处聚集，形成的鼓包通过目视检查就能发现。氢腐蚀过程示意图氢腐蚀裂纹氢腐蚀大致分为三个阶段：孕育期氢与碳反应会使钢材表面脱碳，若碳向表面扩散速度慢，脱碳就会向内部发展，在晶界，或夹杂界面的缝隙形成甲烷鼓包。可通过扫描电镜观察到鼓泡；腐蚀期快速发展期鼓泡长大到某一临界点后沿晶界连接起来形成微裂纹，钢的体积膨胀，强度和塑性迅速下降，超声波测厚时可能会表现为异常“增厚”；饱和期在显微镜下观察试样，可看到脱碳和/或裂纹，有时现场金相分析也能观察到。裂纹彼此连接，钢材力学性能和体积变化渐趋停止；受影响的材料碳钢、钼钢、铬钼钢等，按耐高温氢侵蚀能力递增排序：碳钢、C0.5Mo、Mn0.5Mo、1Cr0.5Mo、1.25Cr0.5Mo、2.25Cr1Mo、2.25Cr1MoV、3Cr1Mo、5Cr0.5Mo及具有不同化学成份的类似钢。主要影响因素温度：温度越高，氢腐蚀越严重； 氢分压：氢分压越高，氢腐蚀越严重；材质：钢中碳含量越高，氢腐蚀越严重； 时间：从损伤开始发生到用合适的检测技术能发现的这段时间为孕育期，孕育期可能是极端苛刻工况下的几个小时或若干年； Nelson曲线给出了常见钢材不发生氢腐蚀的温度/氢分压最高容限，选材时应参考该曲线。奥氏体不锈钢，以及5Cr、9Cr和12Cr的合金钢，在炼油装置常见工况中很少发生高温氢侵蚀。1965年发布的Nelson曲线1.4.4 氢氟酸致氢应力开裂损伤描述及损伤机理碳钢和高强度低合金钢表面与氢氟酸水溶液接触发生腐蚀反应，产生的氢原子扩散到钢中，在高应力区聚集造成的表面开裂损伤形态裂纹多沿晶扩展；多在焊接接头附近产生不连续裂纹。受影响的材料：碳钢、低合金钢主要影响因素：应力，硬度：硬度HB237的材料开裂敏感性高1.4.5 氢氰酸致氢应力开裂损伤描述及损伤机理碳钢和高强度低合金钢表面与氢氰酸水溶液接触发生腐蚀反应，产生的氢原子扩散到钢中，在高应力区聚集造成的表面开裂损伤形态裂纹多沿晶扩展；多在焊接接头附近产生不连续裂纹。受影响的材料：碳钢、低合金钢主要影响因素：应力，硬度，氢氰酸浓度1.4.6 钛氢化氢扩散到钛中，发生化学反应形成脆性氢化物相，导致材料延展性降低。2TinH22TiHn损伤形态：金相组织发生变化，目视检查通常不易发现；换热管变脆后外观可能完好无损，在管束取出过程中可能会因发生弯曲而开裂；已发生损伤的管道材料，在重新轧制时易发生开裂；直接用火焰加热的钛易产生钛氢化，尤其是焊接金属熔化区附近。受影响的材料：钛及钛合金检测方法金相分析，弯曲压扁等力学性能测试，特殊涡流检测1.5 腐蚀疲劳材料在疲劳载荷和腐蚀介质联合作用下发生的破坏，交变应力作用下的应力腐蚀以及在含氢环境中的疲劳都属于腐蚀疲劳。损伤形态疲劳断口呈现脆断特征，裂纹多穿晶，与应力腐蚀开裂的形态相近，起源可能有多处，但腐蚀疲劳裂纹无分叉，常形成多条平行裂