（机械工程专业论文）液化石油气球罐失效分析及防护.pdf

：飞 l 学位论文数据集 中图分类号 t h 学科分类号 4 6 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 0 6 2 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名林胜德学号 2 0 0 3 0 3 0 0 6 2 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 0 2 课题来源生产实际研究方向化工过程机械 论文题目液化石油气球罐失效分析及防治 关键词液化石油气球罐，失效分析，应力腐蚀开裂，氢致开裂，防护措施 论文答辩日期2 0 0 7 年0 5 月3 0 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师徐鸿教授北京化工大学 企业导师刘希民高工前郭石化分公司 评阅人1孙腾良高工中国石化装备总公司 评阅人2钱才富教授北京化工大学 评阅人3 评阅人4 徽员纵孙腾良高工中国石化装备总公司 答辩委员1孙腾良高工中国石化装备总公司 答辩委员2钱才富教授北京化工大学 答辩委员3范德顺 教授 北京化工大学 答辩委员4 答辩委员5 注：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 2 ， i j i 一 。 i 尹 摘要 液化石油气球罐失效分析及防护 摘要 中国石油前郭石化公司在不到五年的时间里，相继有6 台液化石油气 球罐，在定期检验中发现均存在严重缺陷，这些缺陷既不能修复又不能通 过缺陷评定，且有加速恶化的可能，安全评定为五级，结果全部报废。为 了搞清石油液化气球罐失效原因、性质、机理，并制定行之有效的防护措 施，对球罐的缺陷处有代表性地选取试样进行微观分析和宏观分析。根据 分析结果，初步判定失效性质为应力腐蚀开裂，利用应力腐蚀开裂的机理 进一步分析液化石油气球罐失效的原因。通过分析得知，2 0 0 m 3 球罐的失 效属于硫化氢应力腐蚀开裂，而4 0 0m 3 球罐的失效属于氢诱导开裂( 包 括氢致开裂和氢鼓包) ，它们失效的外界环境因素主要都是由于其介质含 有高浓度h ，s 水溶液，但失效的内在因素有所不同，2 0 0m 3 球罐失效主要 是焊接残余应力引起的，所以裂纹多发生在球罐的环缝处和工装卡具焊 迹处。而4 0 0m 3 球罐失效不是以外力为前提，是钢材中有夹杂物等缺陷引 起的，缺陷形式为罐壁板的大面积夹层、鼓包和内表面裂纹。为确保液化 石油气球罐的长周期安全可靠运行，必须从设计选材、制造、安装、工艺 操作、使用管理等各个环节加以控制，尤其是介质中的h ，s 含量一定要控 制在规定的范围内。 关键词：液化石油气球罐，失效分析，应力腐蚀开裂，氢致开裂，防护措 l p gt a n kf a i l u r ea n a i 。y s i sa n d p r e v e n t i o n a b s t r a c t i nq i a ng u op e t r o c h e m i c a lc o m p a n yo fc h i n ap e t r o l , s e r i o u s d e f e c t sw e r ef o u n di ns i xl i q u e f i e d p e t r o l e u mg a s ( l p g ) t a n k si ns u c c e s s i o ni n l e s st h a nf i v ey e a r s t h e s ed e f e c t e dt a n k sc o u l dn o tb er e p a i r e da n d p a s s e d d e f e c ta s s e s s m e n ti np e r i o d i ci n s p e c t i o n a l s o ，t h e ym i g h th a v et h e p o s s i b i l i t y o fa c c e l e r a t i v ed e t e r i o r a t i o ni nt h ef u t u r e t h e yw e r ec l a s s i f i e dt ob eg r a d ev i ns a f e t ya s s e s s m e n t ，a n da l lo ft h e mh a dt ob es c r a p e d i no r d e rt ot a k e e f f e c t i v ep r e v e n t i v em e a s u r e si nt h ef u t u r e ，as t u d yo ft h ef a i l u r ec 凋t u s e sa n d m e c h a n i s mo ft h e s el p gt a n k sw a sc a r d e do u t i nt h es t u d y , r e p r e s e n t a t i v e s p e c i m e n sw e r et a k e n f r o ms e l e c t e dd e f e c ta r e a so ft h e s et a n k s f o r m i c r o c o s m i ca n a l y s i sa n d m a c r o s c o p i ca n a l y s i s t h er e s u l t so ft h e s ea n a l y s e s s h o wt h a tt h en a t u r eo ff a i l u r eo ft h el p gt a n k si ss t r e s sc o r r o s i o n c r a c k i n g ( s c c ) t h er e s u l t so ff u r t h e ra n a l y s e sb a s e do nt h em e c h a n i s mo fs c cs h o w t h a tt h ef a i l u r eo f2 0 0m 3l p gt a n k sb e l o n g st os u l f u r e t e dh y d r o g e ns t r e s s c o r r o s i o nc r a c k i n g ，a n dt h a tt h ef a i l u r eo f4 0 0m 3l p gt a n k sb e l o n g st o h y d r o g e n - i n d u c e dc r a c k i n g ( h i c ) o rh y d r o g e n i n d u c e ds w e l l i n g ) t h e r ea r e i l 尹 ， i 卜 尼 摘要 t w oe n v i r o n m e n t a lf a c t o r sf o ra b o v et w of a i l u r e st oo c c u r ：o n ei st h a tt h e m e d i u ms t o r e di nt h et a n k , a sl p gi nt h i sc a s e ，c o m a i n sw a t e rs o l u t i o no f s u l f u r e t e dh y d r o g e n ；a n dt h eo t h e ri st h a tt h em e d i u mi sw i t hh i g hp r e s s u r e h o w e v e r , t h ei n t e r n a lf a c t o r sf o re a c ho ft h ea b o v et w of a i l u r e st oo c c u ra r e d i f f e r e n t t h em a i nc a u s eo ff a i l u r eo f2 0 0mt a n k si sw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s t h a ti sw h ym o s tc r a c k so n2 0 0m 3t a n k sa r ed i s t r i b u t e dn e a rt h et a n kg i r t h w e l dt r a c e sa n dt h ew e l dt r a c e sf o rs e c u r i n gt o o l i n gf i x t u r e s a n dt h ef a i l u r e o f4 0 0m 3t a n ki sn o tc a u s e db yt h eo u t s i d ep o w e r , b u tc a u s e db yt h e e x i s t e n c eo fi m p u r i t i e sa n df a u l t si n c l u d e di l lt h es t e e lp l a t e su s e dt ob u i l dt h e t a n k s t h u s ，t oe n s u r et h a tt h el p gt a n k sh a v es a f e ，r e l i a b l ea n dl o n g e r o p e r a t i n gl i f e ，t h ew h o l el i f ec y c l eo fl p g t a n k si n c l u d i n gs t r u c t u r ed e s i g n ， m a t e r i a ls e l e c t i o n ，m a n u f a c t u r e ，i n s t a l l a t i o na n dt e c h n i c a lo p e r a t i o ne t cm u s t b eu n d e rs t r i c tc o n t r o l ，e s p e c i a l l yt h ec o n t e n to fw a t e rs o l u t i o no fs u l f u r e t e d h y d r o g e nm u s tb es t r i c t l yc o n t r o l l e d w i t h i nas p e c i f i e dr a n g e k e yw o r d s ：l p gs p h e r i c a lt a n k ，f a i l u r ea n a l y s i s ，s t r e s sc o r r o s i o n c r a c k i n g ( s c c ) ，h y d r o g e n i n d u c e dc r a c k i n g ( h i e ) ，p r e v e n t i v e m e a s u r e 北京化工大学工程硕士学位论文 目录 第一章绪论：。l 1 1 课题来源1 1 2 本课题的目的和意义”l 1 3 本课题的主要研究内容2 第二章应力腐蚀开裂的研究概况3 2 1 应力腐蚀体系的发现与分类3 2 2 应力腐蚀开裂机理的研究进展“5 2 3 应力腐蚀开裂机理的简介”9 2 3 1 应力腐蚀开裂发生的条件与断口特征9 2 3 2 阳极溶解型应力腐蚀开裂机理10 2 3 3 氢致开裂型应力腐蚀开裂机理”13 2 4 钢在h 2 s 水溶液中的应力腐蚀问题”l5 2 4 1 钢在h 2 s 水溶液中的断裂15 2 4 2 钢在h 2 s 水溶液中的应力腐蚀机理16 第三章2 0 0 u 3 石油液化气球罐失效分析“8 3 12 0 0 m 3 石油液化气球罐的基本概况18 3 1 12 0 0 矿石油液化气主要技术参数l8 3 1 22 0 0 2 石油液化气球罐材料的化学成分及机械性能参数l8 3 22 0 0 m 3 石油液化气球罐缺陷分布情况及宏观特点一l9 3 32 0 0 矿石油液化气球罐缺陷的成因分析”20 3 3 1 金相分析2l 3 3 2 裂纹断面扫描电镜分析23 3 3 3 裂纹覆盖物成分分析26 3 3 4 裂纹附近区域硬度测定26 3 42 0 0 m 3 石油液化气球罐裂纹的原因分析27 3 4 1 含量高27 3 4 2 焊接残余应力的影响28 3 4 3 其他因素的影响28 i v 目录 3 5 裂纹产生机理31 第四章4 0 0 m 3 石油液化气球罐失效分析。32 4 14 0 0 d 石油液化气球罐的基本概况32 4 1 1 主要技术参数32 4 1 24 0 0 u 3 石油液化气球罐材料的化学成分及机械性能参数32 4 24 0 0 1 3 石油液化气球罐缺陷分布情况及宏观特点33 4 2 1 存在大量分层33 4 2 2 存在大量鼓包一39 4 2 3 球壳板内表面存在大量裂纹40 4 34 0 0 m 3 石油液化气球罐缺陷的成因分析41 4 3 1 金相分析41 4 3 2 硬度测定44 4 。3 3 埋藏缺陷解剖分析”45 4 44 0 0 u 3 石油液化气球罐缺陷性质及成因分析- ”46 4 54 0 0 1 3 石油液化气球罐裂纹产生机理47 第五章结论及建议“8 参考文献 致谢 作者简介 v 49 52 53 北京化工大学工程硕士学位论文 c o n t e n t s c h a p t e r o n e ：i n t r o d u c t i o n - ：l 1 1s o u r c ei s s u e s 1 1 2m p u r p o s eo f t h ep r o j e c ta n di t ss i g n i f i c a n c e 1 1 3n em a i nt o p i c so f p r o j e c t 2 c h a p t e r t w o ：r e s e a r c h p r o f i l e so fs t r e s sc o r r o s i o n c r a c k i n g ( s c c ) 3 2 1d e f i n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fs i ：) l ：3 2 2r e s e a r c hp r o g r e s si ns c cm e c h a n i s m 5 2 3b r i e f i n g sf o rs c cm e c h a n i s m “9 2 3 1a n o d i ed i s s o l u t i o ns c cm e c h a n i s m ”一“9 2 3 2h i cs c cm e c h a n i s m - 一1 0 2 3 3s c cc o n d i t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f f r a c t u r e “一0 6 0 ooo 1 3 2 4s t r e s sc o r r o s i o no fs t e e li na q u e o u ss o l u t i o no f h 2 s “”“1 5 2 4 1c r a c k i n go f s t e e li na q u e o u ss o l u t i o no f h 2 s 1 5 2 4 2s c cm e c h a n i s mf o rs t e e l i na q u e o u ss o l u t i o no f h 2 s 一1 6 c h a p t e r t h r e e ：2 0 0m j ，l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) t a n k d e f e c t a n a l y s i s - 1 8 3 1n eb a s i cp r o f i l e so f2 0 0m jl p gt a n k s1 8 3 1 1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f 2 0 0m = 1 2 gt a n k ”1 8 3 1 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f2 0 0m jl p g t a n km a t e r i a l 0 00 i t o oo o l looo 1 8 3 2n e m a c r o s c o p i cf e a t u r e so fd e f e c t sa n di t sd i s t r i b u t i o no f2 0 0m 3 l p gt a n k 1 9 3 3c a u s ea n a l y s i so fd e f e c t so f2 0 0 1 3 凹gt a n k 2 0 3 3 1 m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s 2 0 3 3 2s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n a l y s i so f c r a c ks e c t i o n s 2 3 3 3 3a n a l y s i so f t h es l i p c o v e ro nt h ee r a c k “一一一一”2 6 3 3 4h a r d n e s sm e 舔u r e m e n ti nt h en e a r b ya r e ao fc r a c k s ”“”一”2 6 3 4c a u s ea n a l y s i so f t h ec r a c k i n gi n2 0 0m jl p gt a n k 2 7 3 4 1h i g hc o n t e n to f h 2 s ”2 7 3 4 2i n f l u e n c eo f w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s e s ”2 8 3 4 3 i n f l u e n c eo f t h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ”2 8 卜 一 目录 3 5c r a c k i n gm e c h a n i s m “”一”3 l c h a p t e rf o u r ：4 0 0m jl p gt a n kt a n kd e f e c ta n a l y s i s 3 2 4 1t h eb a s i c p r o f i l e so f 4 0 0m ji j p gt a n k s 3 2 4 1 1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ? ”3 2 4 1 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f4 0 0m = u g t a n km a t e r i a l 0 00 3 2 4 2t h em a c r o s c o p i cf e a t u r e so fd e f e c t sa n di t sd i s t r i b u t i o no f4 0 0i n j gt a n k 3 3 4 2 1e x i s t e n c eo fa l a r g en u m b e ro fi n t e r l a y e r s ”“3 3 4 2 2e x i s t e n c eo fal a r g en u m b e ro fs w e l l i n g s 3 9 4 2 3e x i s t e n c eo f al a r g en u m b e ro fc r a c k so ni n n e rs u r f a c e - 3 9 4 3c a u s ea n a l y s i so f d e f e c t so f 柏0m jl p gt a n k 一4 1 4 3 1m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s一”4 1 4 3 2h a r d n e s sm e a s u r e m e n t ”4 4 4 3 3a n a l y z et h ei n n e rd e f e c t s ”4 5 4 4 a n a l y s i so f t h en a t u r ea n dc a u s e so f d e f e c t so f 4 0 0m jl p gt a n k 4 6 4 5c r a c k i n gm e c h a n i s mo f4 0 0m l p gt a n k 4 7 c h a p t e rf i v e ：c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 4 8 r e f l - r e n c e s 4 9 t h a n k s 4 t o 5 1 a u t h o rp r o f i l e 5 2 v 符号说明 符号说明 液化石油气 应力腐蚀开裂 应力场强度因子m p a 而 材料的“断裂韧性 断裂临界拉应力m p a 裂纹扩展速度m m h 临界应力场强度因子m p a m 抗拉强度 m p a 屈服强度 l i p a 伸长率 冲击韧性，j c m - 裂纹长度姗 酸碱度 金属溶解度 表示瞬间电流密度峰值1 0 - 6 a o n 2 表示衰减系数 固溶的氢浓度p p m 表面能j 弹性模量g p a 布氏硬度 v 啪溉硒蛐“弧出蓦：a附蛳b b 丫e 腿 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 在我国，约有五分之二的球罐用于储存液化石油气。在开罐检查时发现，其中许 多环焊缝有表面裂纹和鼓包等。这些缺陷不但危及球罐的安全，而且也是设计、制造、 监督检验和使用单位所关注的重要课题。 近年来，球罐失效及其对设备安全运行带来的严重影响，已引起了国内外学者的 高度重视。从各国所发生的球罐事故来看，除少数是由于设计不合理，选材不当和操 作使用等原因造成失误之外，绝大部分是因开裂而引起的脆性破坏，因此可以说，开 裂是造成球罐破坏事故的直接原因【1 1 。 中国石油前郭石化公司自1 9 9 2 至1 9 9 6 年五年时间，在压力容器定期检验中，发 现有6 台液化石油气球罐存在严重缺陷，其中有2 台2 0 0 m 3 球罐，设备编号为5 0 1 号、 5 0 2 号球罐，在球罐球壳的环焊缝热影响区、熔合区及工装卡具部位焊迹处检查出多 处裂纹，最深的裂纹已穿透壁板，经分析为应力腐蚀开裂；另外4 台是4 0 0m 3 球罐， 设备编号为5 0 7 号、5 0 8 号、5 0 9 号、5 1 0 号球罐，在球罐的检验中发现存在大量埋藏 氢致开裂分层型裂纹、大量内表面应力腐蚀开裂和大量内壁氢致鼓包1 2 1 。以上6 台球 罐经安全评定均为5 级，结果全部报废。这不但给企业造成巨大的经济损失，而且还 给生产带来了很大的困难和严重的安全隐患。对球罐失效原因进行研究和分析，从而 提出各种防护措施，以延长球罐的使用寿命和确保球罐的长周期安全可靠运行。 1 2 本课题的目的和意义 随着我国石油工业的发展，炼油生产规模不断扩大，液化石油气球罐建设日益增 多，发展速度很快，同时我国加工高含硫的原油的数量和比例逐渐增大，这些含硫原 油在炼制的过程中，原油中的硫化物随着加工过程的进行转化为对设备具有侵蚀性的 h 2 s ，当 墒与液相水或含水物流共存时，就形成湿h 2 s 腐蚀环境1 3 1 。石油液化气球 罐的运行环境就变得更加恶劣，如果在设计、制造、检验和使用等方面不严格控制， 球罐的各种事故将逐渐增多。对前郭石化分公司失效的液化石油气球罐进行失效原因 研究和分析，提出各种防治措施，增加球罐的安全度，确保安全运行，最大限度地延 长球罐使用寿命和减少事故的发生是十分重要和非常必要的。 北京化工大学工程硕士学位论文 1 3 本课题的主要研究内容 本课题来源于中国石油前郭石化分公司6 台液化石油气球罐发生应力腐蚀开裂及 氢致开裂、氢鼓包失效现场实际问题，该公司在1 9 9 5 年以前液化石油气中h 2 s 的含 量没有得到很严格的控制，水含量也高，虽然操作定时脱水，但是难以脱净，这就为 球罐提供h 2 s 水溶液的腐蚀环境，球罐的壳体材质均为1 6 m n r 。但是5 0 1 、5 0 2 号球 罐产生的缺陷与5 0 7 、5 0 8 、5 0 9 、5 1 0 号球罐产生的缺陷又不同，因此本课题的实质 是研究1 6 m n r 钢在水溶液的腐蚀环境中发生不同的腐蚀开裂问题。具体作了如下研 究工作： ( 1 ) 对液化石油气球罐产生的裂纹进行实验分析； ( 2 ) 利用湿环境下的1 6 m n r 应力腐蚀开裂机理进一步分析液化石油气球罐腐蚀 开裂的原因； ( 3 ) 通过应力腐蚀开裂分析的结果，提出球罐失效的防护措施。 第二章应力腐蚀开裂的研究概况 第二章应力腐蚀开裂的研究概况 2 1 应力腐蚀体系的发现与分类 应力腐蚀开裂是指敏感金属或合金在一定的拉应力( 施加的外力或内部残余应 力) 和一定的腐蚀介质环境共同作用下产生的一种特殊断裂方式，简称应力腐蚀，英 语缩写是s c c 4 1 。只有当环境、应力及材料三个因素均具备时，才会发生应力腐蚀 开裂。构件承受拉伸应力是发生应力腐蚀的必要条件，而材料及腐蚀介质的组合则具 有选择性，即不同的材料及其微观组织不同，发生应力腐蚀开裂的腐蚀环境也不同， 也就是说，对特定材料只有在特定的腐蚀环境中才会产生应力腐蚀。 早在十九世纪后期，人们就发现成形的黄铜弹壳在存储过程中发生开裂，严重地 影响军事行动。研究结果表明：裂纹形貌类似干枯的木材( s e a s o n e dw o o d ) ，而最易 出现在夏季的季风期( m o n s o o ns e a s o n ) ，故称之为季裂【5 j ( s e a s o nc r a c k i n g ) ，研究结 果进一步表明：在制造过程中，弹壳具有残余应力，在储存过程中这种弹壳会在含有 n h 4 + 的潮湿空气中开裂，这是一种应力腐蚀开裂现象。黄铜冷凝管也有类似s c c 现 象。二次世界大战之间，对q 黄铜s c c 做了大量的研究工作，在第一次国际会议( 1 9 4 4 年) 中，约有5 0 篇论文报导了这方面的研究成果 6 1 。 十九世纪末期，人们发现铆接的蒸汽锅炉的爆炸是由于“碱脆 引起的，即锅炉 用水由于要软化处理而含有碱，经过反复的蒸发和冷凝，在铆接锅炉壳体的缝隙富集 了足够的碱，由于应力的协调作用而引起了爆炸1 7 】。人们在这个问题的命名上，突出 了化学介质在开裂和断裂中的作用。 十九世纪后期，人们在学术会议上已经报道了高强钢的氢脆现象。上世纪二十年 代，发现了低碳钢在硝酸盐中的应力腐蚀以及铝合金在潮湿的空气及海水中的应力腐 蚀问题。 在二十世纪五十年代，由于航空、航天、航海等工业的需要，并相继发现了钛合 金在热碱、甲醇等介质中的应力腐蚀现象，在二十世纪六十年代，在热能工程中，钢 的应力腐蚀开裂的事故是很多的。例如某一蒸汽锅炉在经过四年使用后于一九六九年 十月十九日断裂，事故的原因是金属在蒸汽冷凝物中的应力腐蚀开裂 s l 。人们便开始 十分活跃地研究这类材料的应力腐蚀问题。 表2 - 1 列出了一些比较常见的能引起金属( 或合金) 产生应力腐蚀断裂的一些介 质 4 1 。它基本展示了几十年来人们对应力腐蚀体系问题认识的进展。 断裂学科中，又将应力腐蚀断裂叫做“环境断裂 ( e n v i r o n m e n t a lf r a c t u r e ) ，主要 是化学环境引起的断裂现象。可以依据不同的判据来划分应力腐蚀断裂。例如，按照 3 北京化工大学工程硕士学位论文 表2 - 1引起金属( 或合金) 产生应力腐蚀断裂的一些介质 t a b l e2 1m e d i aw h i c hm a yc a u s es c ci nm e t a l so ra l l o y s 材料介质 低碳钢和低合金钢 苛性碱溶液，氨溶液，含或h c l 溶液，湿的c o - c 耽，碳酸盐溶液， 海水，海洋大气和工业大气，熔融锌，锂或n b p b 合金，f e c l 3 溶液， 混合酸( 0 4 - h n 0 3 ) 溶液 铁素体不锈钢 海洋大气，工业大气，高温水，水蒸气，高温高压水，n a o h 水溶液， n 如，硝酸盐，硫酸，硫酸一硝酸，1 1 2 s 水溶液，高温碱 奥氏体铬一镍不锈钢热的氯化物溶液，热海水，高温水，热n a c l ，n a o h - h 2 0 水溶液，三 氯乙烷，水溶液，n a o h 水溶液，n a o h + 硫化物水溶液，浓缩锅炉水， 0 4 + c u s 0 4 水溶液，0 4 + 氯化物溶液，水蒸气，热浓碱，过氯酸钠，严 重污染的工业大气，酸溶液，邻二氯苯，体液( 汗和血清) ，湿的氯化 镁绝缘物，粗苏打和硫化纸浆，明矾水溶液，甲基三聚氢胺，海水， 河水，酸式亚硫酸盐，联苯和联苯醚，湿氯乙烷，海洋大气，硫酸饱 和水溶液 马氏体不锈钢氯化物，海水，工业大气，酸性氯化物 铝合金湿空气，海洋大气和工业大气，海水，n a c l ，c a c l 2 和n 1 4 c l 水溶液， 水银 镁合金氯化物一铬酸钾溶液，氟化物，热带工业和海洋大气，蒸馏水 铜合金氨蒸汽或溶液，水，水蒸汽，a g n 0 3 ，湿，水银，f e c l 3 ，含n 的有机 化合物，柠檬酸，酒石酸，胺类 钛合金镉( 3 2 7 2 ) ，汞( 室温) ，银板( 4 6 6 2 ) ，氯( 2 8 8 ) ，a g c l ( 3 7 1 4 8 2 ) ，a g - 5 a 1 2 5 m i l ( 3 4 3 ) ，h c l ( 1 0 9 6 , 3 4 3 1 2 ) ，红烟硝酸，仉( 6 0 9 6 ) ， 氯化物盐( 2 8 8 4 2 6 ) ，四氧化二氮( 不含n i o ，2 4 7 4 ) ，甲醇，甲 基氯仿( 4 8 2 ) ，三氯乙烯( 室温) ，氯化二甲基( 3 1 6 ) ，海水， f 锆合金有机液体如甲醇或含b r 2 ，1 2 ，n a c l 的甲醇溶液，甲醇一h c l ，c c l b 碘化物酒精溶液，硝化苯，含0 4 、h c o o h 的甲醇溶液，氯化物的水溶 液，卤素和卤素酸气( c 1 2 ，b r 2 ，1 2 ，) ，水银，铯 镍基合金熔融苛性碱，热浓苛性碱溶液，l i f 酸溶液硅氢氟酸，含氯及痕量铅 的高温水，液态铅 材料的类型来分，便于考核材料的适用性；又可以按照介质类型分为碱脆、氢脆、氨 脆、氯脆、氦脆和硝脆等，便于针对化学环境来选材。又例如，按照机理分为阳极溶 解型和氢致开裂型，明确了机理，便于采取有效的控制措施。当应力是恒定时，则有 拉、压、扭、弯等载荷的区别，对应于断裂力学的分类，则有i 型、i i 型、型及混 4 第二章应力腐蚀开裂的研究概况 合型载荷；若应力不是恒定的，而是重复交变的，则有腐蚀疲劳，若应力与腐蚀介质 是高温高压氢气，则这种应力腐蚀是一种氢致开裂，又叫氢腐蚀。关于应力与化学介 质协同作用引起的破坏，除了断裂之外还有磨损，即磨耗磨损；依据金属部件与化学 介质相对运动速度自小而大，可分为微动腐蚀、冲击腐蚀和空泡腐蚀三类。上述的应 力与化学介质协同作用引起的多种破坏现象，可用图2 - 1 表示出来： 图2 - 1 应力与腐蚀介质协同作用引起的各种破坏 f i g2 - 1 d 锱t 川c t i o nt y p e su n d e rt h es y n e r g e so fs t r e s sa n dc o r r o s i v em e d i u m 2 2 应力腐蚀开裂机理的研究进展 二十世纪初，人们开始了对应力腐蚀开裂机理的研究。后来随着工业的发展，应 力腐蚀现象在越来越多的工业和民用结构中的金属构件上发现，人们对应力腐蚀机理 的研究也日益广泛。近年来，人们对应力腐蚀机理的研究比对其它各种金属腐蚀行为 给予了更大的关注，这是因为金属的应力腐蚀开裂是化学工业、天然气与石油开采及 加工工业、冶金工业、热能工业、造船以及其他工业中的设备的最危险的失效方式之 一。其腐蚀速度之快，常常在设备没有任何先兆的情况下造成灾难性事故，使生产和 经济遭受巨大的损失。随着石油、化工、冶金、原子能和宇航工业的发展，金属材料 越来越多地运用到高应力状态以及各种苛刻的工作环境中去，因为为了提高生产效率 和经济效益，必须提高工作温度以及工作压力，这都可能增大金属材料发生应力腐蚀 开裂事故的概率。为此各国政府都投入了大量的人力和物力，对应力腐蚀的破坏规律 和机理进行了深入的研究。 我国的应力腐蚀研究工作起步较晚，近十几年来，国家投入了相当大的人力和物 力，对应力腐蚀发生的规律和机理进行了大量的研究。在“六五”期间，国家科委就组 织了重大研究课题，应力腐蚀规律和机理的研究是其中重要的组成部分；“七五 期 间，国家自然科学基金会又组织了“金属材料的断裂规律和机理的研究 和“金属腐 5 北京化工大学工程硕士学位论文 蚀和防护若干规律和机理的研究 两大重大课题，对应力腐蚀和氢致开裂做了重点研 究，取得了许多成果。 最初人们采用传统的应力腐蚀开裂倾向性试验研究方法，在恒载荷拉伸机上取得 了慢应变条件下应力腐蚀敏感性的表征参数，它们包括g 塑性损失，断裂应力。白断 口形貌和二次裂纹，吸收能量以及断裂时间等。根据这些指标就可以来评定材料介质 体系对应腐蚀的敏感性。七十年代，随着断裂力学的发展，人们广泛地运用断裂力学， 采取预制裂纹试样，进行应力腐蚀断裂实验，获得了应力腐蚀断裂的临界应力场强度 因子k i s c c $ 并总结出了裂纹扩展速度( d a d t ) 与k i 的关系，见图1 2 ，可以分为三个 阶段： d a d t 酶k 图2 _ 2 裂纹扩展速度( d a d t ) 与瓦的关系 f i g2 - 2t h er e l a t i o nb e t w e e nc r a c kg r o w t hs p e e d ( d a d t ) a n d 蝎 ( 1 ) 第1 阶段：当k i k i s c - c 时，裂纹才以低速扩展，这是力学因素起主要作用， d a d t 随着k i 的增大而迅速增加； ( 2 ) 第1 i 阶段：当蝎的增加到一定数值后，d a d t 保持恒定，即d a d t 不随k i 的 变化，这是化学因素起了主要作用； ( 3 ) 第阶段：埒继续增大，力学因素又起了主要作用，达到k m c c ，即迅速断 裂。 利用这些工程参量：oc 、k i s o c 、d a d t 等，便可以对应力腐蚀体系中的应力因素， 电化学因素以及金属学因素的影响展开对比研究，获得有价值的结果，从而进一步探 明应力腐蚀的机理。 应力腐蚀开裂是一种局部腐蚀破坏现象，因此局部力学环境对于理解机理和控制 6 第二章应力腐蚀开裂的研究概况 措施是十分重要的，依据外加应力与裂纹面的取向，有三类裂纹形式( 见图1 - 3 ) ：i 型又叫拉开型；i i 型又叫滑开型；型又叫撕开型；对应的分别有三类应力场强度因 子k i ，k ，k 砸。 瞄影霜 张开型( i )滑移型( i i )撕开型( ) 图2 - 3 裂纹扩展型式 f i g2 - 3 c r a c kg r o w t hp a t t e r n 载荷对于l 型裂纹有三方面作