不锈钢压力容器应力腐蚀开裂

不锈钢晶间腐蚀问题晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。

这种腐蚀是在金属（合金）表面无任何变化的情况下，使晶粒间失去结合力，金属强度完全丧失，导致设备突发性破坏。

许多金属（合金）都具有晶间腐蚀倾向。

其中不锈钢、铝合金及含钼的镍基合金晶间腐蚀较为突出。

如有应力存在，由晶间腐蚀转变为沿晶应力腐蚀破坏。

贫化理论认为，晶间腐蚀是由于晶界析出新相，造成晶界附近某一成分的贫乏化。

如奥氏体不锈钢回火过程中（400-800℃）过饱和碳部分或全部以Cr23C6 形式在晶界析出，造成碳化物附近的碳与铬的浓度急剧下降，在晶界上形成贫铬区，贫铬区作为阳极而遭受腐蚀。

对于低碳和超低碳不锈钢来说，不存在碳化物在晶界析出引起贫铬的条件。

但一些实验表明，低碳，甚至超低碳不锈钢，特别是高铬、钼钢，在650-850℃受热时，在强氧化介质中，或其电位处于过钝化区时，也发生晶间腐蚀。

铁素体不锈钢在900℃以上高温区快冷（淬火或空冷）易产生晶间腐蚀。

即使极低碳、氮含量的超纯铁素体不锈钢也难免产生晶间腐蚀。

但在700-800℃重新加热可消除晶间腐蚀。

由此可见，铁素体不锈钢焊后在焊缝金属和熔合线处易产生晶间腐蚀。

18Cr-9Ni 钢在温度高于750℃时，不产生晶间腐蚀，而在600-700℃区间，晶间腐蚀倾向最严重。

当温度低于600℃时，需长时间才能产生晶间腐蚀倾向，温度低于450℃时基本不产生晶间腐蚀倾向。

检验某种钢材是否有晶间腐蚀倾向，一般采用敏化处理工艺。

钢材加热到晶间腐蚀最敏感的，恒温处理一定时间，这种处理工艺称为敏化处理，产生晶间腐蚀最敏感的温度叫敏化温度。

18-8 不锈钢最敏感温度为650-700℃，产生晶间腐蚀倾向所需要的最短时间为1-2小时。

不锈钢中，除了主要成分Cr、Ni、C 外，还含有Mo、Ti、Nb 等合金元素。

它们晶间腐蚀的作用如下：1．碳：奥氏体不锈钢中碳量越高，晶间腐蚀倾向越严重，导致晶间腐蚀碳的临界浓度为0.02%（质量分数）。

不锈钢氯离⼦应⼒腐蚀开裂分析技术与信息96 |2019年4⽉产物，对其进⾏化学分析，发现其中氯离⼦的含量⽐较⾼。

不锈钢部件的氯离⼦应⼒腐蚀开裂从萌⽣到开裂失效往往会经历较长的使⽤过程，可能是⼏年或者⼏⼗年，⽽该设备上所使⽤的两只三通才更换使⽤不到两个⽉时间，这么短的时间内造成如此⼤的裂纹，可以说该三通部件没有经历孕育萌发阶段⽽直接进⼊裂纹扩展阶段。

通过对该企业留存的不锈钢三通备件进⾏检查发现，三通内表⾯不光洁，存在较多的⽑刺，未经过有效的表⾯处理，外表⾯肩部有明显的压痕，见图2所⽰，三通在冷压制成型过程中在其肩部造成了较⼤的残余应⼒以及组织的转变(马⽒体相变)，在很⼤程度上促使该部件氯离⼦应⼒腐蚀开裂的形成，同时管道输送的介质中存在较⾼浓度的游离态氯离⼦，同时该管道输送介质的温度常年25～45℃的较⾼使⽤温度下使⽤，各种因素的综合影响，导致该三通部件在使⽤过程中直接跳过了裂纹孕育期，急速进⼊裂纹稳定扩展阶段，最终形成裂纹造成部件失效。

　图1 裂纹⾦相图图2 不锈钢三通部件3 三通肩部应⼒腐蚀开裂的关键因素氯离⼦不但能造成不锈钢压⼒容器管道的孔腐蚀，⽽且更容易造成不锈钢压⼒容器及管道元件的应⼒腐蚀开裂。

其影响因素包括：氯离⼦浓度、拉应⼒、温度以及pH 值、氧含量、合⾦成分等。

3.1 介质中氯离⼦含量氯离⼦含量是影响不锈钢应⼒腐蚀开裂的直接因素，氯离⼦含量与应⼒腐蚀开裂成正⽐，在⾼温情况(⼤于60℃)，氯离⼦含量只要达到1mg/L，就能够直接造成构件的破裂。

0 引⾔2010年11⽉20⽇，泰兴某化⼯烧碱企业产烧碱量达到70万吨以上，其在⽤的8万吨/年改性聚氯⼄烯项⽬所使⽤的两台氯⼄烯泵后相连的压⼒管道三通成品管件，在投⽤使⽤了两年多后三通成品管件肩部发⽣开裂性泄漏，开裂部位形貌如树枝根须状。

该⼯程项⽬上氯⼄烯管道在⽤的两只成品三通，且都不同程度的出现了同样的问题。

根据现场资料显⽰三通规格为φ159×4.5，材质为0Cr18Ni9，设计使⽤压⼒是1.60MPa，设计使⽤温度为常温，⽇常⼯作介质为氯⼄烯。

不锈钢被氯离子腐蚀是什么样子的啊在用奥氏体不锈钢制造的压力容器中，如果有氯化物溶液存在，也会产生应力腐蚀。

这是由于溶液中的氯离子使不锈钢表面的钝化膜受到破坏，在拉伸应力的作用下，钝化膜被破坏的区域就会产生裂纹，成为腐蚀电池的阳极区，连续不断的电化学腐蚀最终可能导致金属的断裂。

这种腐蚀与氯离子的浓度关系不大，即使是微量的氯离子，也可能产生应力腐蚀。

在实际生产中，有些设备并不是在正常操作条件下被腐蚀破坏的，而是在停车期间由于残留在容器中低浓度（5％）的氯化物冷凝液，产生了应力腐蚀裂纹。

也有因用含氯离子浓度较高的水进行耐压试验，结果残留在容器中的水被浓缩而生产应力腐蚀。

氯离子对奥氏体不锈钢的应力腐蚀，其裂纹通常是穿晶型的，并且多数是分枝状裂纹。

多数腐蚀裂纹都产生在焊缝附近，这就充分说明焊接残余应力是一个重要的因素。

氯离子对奥氏体不锈钢的腐蚀主要使点蚀。

机理：氯离子容易吸附在钝化膜上，把氧原子挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性路氯化物，结果在露出来的机体金属上腐蚀了一个小坑。

这些小坑被成为点蚀核。

这些氯化物容易水解，使小坑能溶液PH值下降，使溶液成酸性，溶解了一部分氧化膜，造成多余的金属离子，为了平很腐蚀坑内的电中性，外部的Cl-离子不断向空内迁移，使空内金属又进一步水解。

如此循环，奥氏体不锈钢不断的腐蚀，越来越快，并且向孔的深度方向发展，直至形成穿孔。

由于Cl离子是水中经常含有的物质，又是引起若干合金局部腐蚀的所谓“特性离子”(破钝剂)，它进入缝隙或蚀孔内还会与H+生成盐酸，使腐蚀加速进行。

氯离子被认为是304不锈钢发生局部腐蚀的主要原因之一，由于氯离子半径小，穿透钝化膜的能力强，其电负性又很大，氯离子的存在加速了304不锈钢的腐蚀。

另外，应力的存在也加速了氯离子对304不锈钢的腐蚀，降低了304不锈钢抗氯离子应力腐蚀的临界浓度。

在氯离子存在的情况下，多发生的是孔蚀也叫点蚀，属于电化学腐蚀。

点腐蚀多发生在上表面生成钝化膜的金属材料上或表面有阴极性镀层的金属上，当这些膜上某点发生破坏，破坏区下的金属基体与膜未破坏区形成活化—钝化腐蚀电池，钝化表面为阴极，而且面积比活化区大很多，腐蚀就向深处发展而形成小孔。

1-5 应力腐蚀开裂概述因介质对材料的腐蚀而造成的结构破裂称腐蚀破裂。

金属材料的腐蚀有多种，按腐蚀机理可分为：化学腐蚀和电化学腐蚀；按腐蚀介质可分为：氧腐蚀、硫腐蚀、酸腐蚀、碱腐蚀等；按腐蚀部位和破坏现象，可分为：均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等。

金属材料在特定腐蚀环境下，受拉应力共同作用时所产生的延迟开裂现象，称为“应力腐蚀开裂”。

应力腐蚀开裂属于环境敏感断裂范畴。

并非任何环境都会产生应力腐蚀开裂，应力腐蚀是特殊的腐蚀现象和腐蚀过程，一定的金属材料只在某一特定的腐蚀环境中才会产生应力腐蚀开裂。

有拉伸应力存在，是应力腐蚀开裂的先决条件，焊接剩余拉应力有着极为重要的影响！在锅炉压力容器部件的腐蚀中，应力腐蚀及其造成的破裂是最常见、危害最大的一种！已成为工业（特别是石油化工）中越来越突出的问题（参见：化工设备损伤事例统计表），石油化工焊接结构的破坏事故中，约有半数为应力腐蚀开裂。

化工设备（低于300ºC）损伤事例统计表①包括腐蚀疲劳开裂，一般约占8% 。

因此，必须从结构设计及施工制造方面考虑洚低剩余拉应力，以提高结构的抗应力腐蚀开裂性能。

当然，还应从生产管理方面考虑降低介质的腐蚀作用。

本节主要是了解应力腐蚀开裂的特征，以防止、控制应力腐蚀开裂。

一. 应力腐蚀开裂特征：1. 应力腐蚀开裂条件：（1）合金----纯金属不发生应力腐蚀，但几乎所有的合金在特定的腐蚀环境中都会产生应力腐蚀裂纹。

极少量的合金或杂质都会使材料产生应力腐蚀。

各种工程实用材料几乎都有应力腐蚀敏感性。

（2）拉应力-----引起应力腐蚀的应力必须是拉应力，且应力可大可小，极低的应力水平也可能导致应力腐蚀破坏（不管拉应力多么小，只要能引起变形滑移，即可促使产生应力腐蚀开裂）。

应力既可由载荷引起，也可是焊接、装配或热处理引起的残余应力。

（3）腐蚀性介质----产生应力腐蚀的材料和腐蚀性介质之间有选择性和匹配关系，即当二者是某种特定组合时才会发生应力腐蚀。

压力容器的破裂形式有哪些压力容器及其承压部件在使用过程中，其尺寸、形状或材料性能发生改变，完全失去或不能良好实现原定功能，继续使用会失去可靠性和安全性，需要立即停用修复或更换，这种情况称作压力容器及其承压部件的失效。

压力容器最常见的失效形式是破裂失效，有韧性破裂、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂、蠕变破裂5种类型。

1.韧性破裂韧性破裂又称延性破裂，是指容器壳体承受过高的内部应力，以致超过或远远超过其屈服极限和强度极限，使壳体产生较大的塑性变形，最终导致破裂。

容器发生韧性破裂时，爆破压力一般超过容器剩余壁厚计算出的爆破压力。

如化学反应过载破裂，一般产生粉碎性爆炸；物理性超载破裂，多从容器强度薄弱部分突破，一般无碎片抛出。

韧性破裂的特征主要表现在断口有缩颈，其断面与主应力方向成45°角，有较大剪切唇，断面多呈暗灰色纤维状。

当严重超载时，爆炸能量大、速度快，金属来不及变形，易产生快速撕裂现象，出现正压力断口。

压力容器发生韧性破裂的主要原因是容器过压。

2.脆性破裂脆性破裂是指容器在断裂时没有宏观的塑性变形，器壁平均应力远没有达到材料的强度极限，有的甚至低于屈服极限，其断裂现象和脆性材料的破坏很相似，常发生在截面不生明显塑性变形就破坏的破裂形式称为脆性破裂。

连续处，并伴有表面缺陷或内部缺陷，即常发生在严重的应力集中处。

因此，把容器未发化工压力容器常发生低应力脆断，主要原因是热学环境、载荷作用和容器本身结构缺陷所致、所处理的介质易造成容器应力腐蚀、晶间腐蚀、氢损伤、高温腐蚀、热疲劳、腐蚀疲劳、机械疲劳等，使焊缝和母材原发缺陷易于扩展开裂，或在应力集中区易产生新的裂纹并扩展开裂，使容器承受的应力低于设计应力而破坏。

3.疲劳破裂疲劳破裂是指压力容器由于受到反复作用的交变应力（如反复加压、泄压）的作用，使容器壳体材料的某些应力集中部位在短时间由于疲劳而在低应力状态下突然发生的破裂形式。

与脆性破裂一样，发生疲劳破裂时，容器外观没有明显的塑性变形，而且也是突发性的。

压力容器和压力管道应力腐蚀开裂机理及影响因素分析摘要：锅炉、压力容器和压力管道是工业生产和生活中非常重要的设备，在使用过程中，一旦出现裂纹等缺陷，不仅会影响设备的正常使用，甚至会带来重大损失。

使用单位如果及时发现、解决裂纹问题，以及预防裂纹问题，就能够防止安全事故的发生。

关键词：锅炉；压力容器；压力管道；裂纹问题引言锅炉、压力容器和压力管道一般处于高温、高压等恶劣环境下运行，使用工况十分复杂，容易产生缺陷和损伤。

其中裂纹就是危害非常大的缺陷，如果不及时预防、发现和解决设备出现的裂纹缺陷，将会带来严重的安全问题。

在平时的使用过程中，使用单位一定要高度重视对设备的检验、管理和维护保养工作，及时发现设备存在的问题，特别是裂纹问题，及时排除安全隐患。

使用单位对裂纹的形成原因和其有可能引发的各类后果也要进行认真分析，进而采取对应的预防和解决措施，避免裂纹可能带来的各种安全隐患，保证设备的安全运行。

1.压力容器和压力管道应力腐蚀开裂机理1.1 疲劳裂纹压力容器和压力管道在运行时，由于一直都处在高温、高压及交变载荷条件下运行，所以非常容易形成疲劳裂纹，疲劳裂纹有两种形式，分别是腐蚀性裂纹以及机械裂纹。

腐蚀性裂纹的成因主要是由于介质因素，介质在一定程度压力作用下会造成压力容器和压力管道就会出现裂纹。

通常情况下裂纹有着非常高的稳定性，当裂纹蔓延开时，压力容器和压力管道中的压力持续作用下，因此裂纹的宽度就会扩大。

1.2 蠕变裂纹压力容器和压力管道是非常容易造成损坏的，其中包括温度以及压力的作用，如果一直运行压力容器和压力管道，就很容易产生蠕变裂纹。

通常情况下，压力容器和压力管道形成的蠕变裂纹它们多是平行的，当出现裂纹的时候，大多数都是出现在应力集中处，并且裂纹的数量也会逐渐增加，它们的分布是没有一定规律的，因此很难对其实际规则进行了解。

1.3 应力腐蚀裂纹压力容器和压力管道在运用时，也是非常容易被腐蚀的，由于里面含有高浓度的酸、碱介质。

奥氏体不锈钢制压力容器制造质量控制1 概述本部分着重介绍奥氏体不锈钢制压力容器在制造过程中的质量操纵的内容、方法与要求。

奥氏体不锈钢不仅具有专门强的化学稳固性，同时也有足够的强度和极好的塑性，良好的焊接性，在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能，在一定高温或低温下具有稳固的力学性能。

由于奥氏体不锈钢具有上述优点，因此被广泛用于石油化工、医疗、食品、电力、交通、军工、原子能、航天等领域的设备中，其中以18-8型铬镍奥氏体不锈钢最有代表性，它广泛用于制造耐腐蚀压力容器、耐高温压力容器、耐低温压力容器。

但奥氏体不锈钢也存在以下问题须引起关注：1〕奥氏体不锈钢对溶液中含有氯离子(Cl-)的介质专门敏锐，易发生应力腐蚀，严峻时会引起材料穿孔性腐蚀；2〕对某些还原性介质，如盐酸、稀硫酸等那么是不耐腐蚀的；3〕奥氏体不锈钢有晶间腐蚀倾向，当奥氏体不锈钢加热到400℃～850℃或自高温缓慢冷却(如焊接)时，碳会从过饱和奥氏体中以碳化铬〔CrFe〕23C6的形式沿晶界析出，使奥氏体晶界邻近的含铬量降低，当不锈钢晶界含铬量低于12%时〔贫铬〕，材料遇到腐蚀介质时电极电位迅速下降，在不锈钢晶界产生腐蚀——晶间腐蚀。

在奥氏体型不锈钢中添加钛或铌时，能提高其抗晶间腐蚀能力；添加钼、铜、钛，那么能提高其在还原酸(如稀硫酸)中的耐腐蚀性能，同时也提高其抗晶间腐蚀的能力。

降低含碳量也可减少晶间腐蚀倾向。

4〕奥氏体不锈钢交货状态一样为固溶处理后酸洗，酸洗的目的是使钢材表面形成氧化膜、对钢材表面进行钝化处理，使钢材具有耐腐蚀性。

但奥氏体不锈钢较软，表面极易在生产过程被划伤而使钝化膜遭到破坏。

钝化膜遭到破坏后，在使用中可能显现以下问题：a) 在低温介质中，会降低材料的韧性；b) 在腐蚀介质中，降低耐腐蚀性；c) 在高温介质中，在钝化膜遭到破坏处发生氧化。

5〕奥氏体不锈钢在剪切、焊接、卷圆、装配、运送过程中专门容易受到铁离子和其他杂质的污染，奥氏体不锈钢被污染后在污染处形成原电池，造成腐蚀，从而会阻碍奥氏体不锈钢制压力容器的使用质量和安全。