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金屬材料應力腐蝕分析及預防措施

2019-06-12 09:47:11 作者：本網整理來源：設備管理與防腐分享至：

金屬材料應力腐蝕主要是金屬材料在特有的合金材料環境下，由于受到應力（一般或主要是拉伸應力，現在發現壓縮應力狀況也存在）或者特定的腐蝕性介質影響，產生的一種滯后開裂或滯后斷裂的腐蝕性破壞現象。一般是由于金屬或者合金材料失去原有的電子作用后，使金屬以及合金材料整體強度降低，受到應力作用，可在遠低于材料屈服強度的情況下，產生無形變預兆的現象，其腐蝕發生的溫度一般在40℃～300℃左右。也被稱之為低應力脆斷或者應力腐蝕。這種現象在石油化工設備腐蝕破壞中占有較高的比例。化工設備多是金屬及其合金的金屬制品。高溫或高壓工況、多介質也是化工設備的一種常態。另外，化工設備也易在制造、施工、安裝及使用過程中存在應力狀況。應力腐蝕是應力和腐蝕的共同作用下產生的。簡而言之，應力腐蝕是指某設備或某物品在某種腐蝕環境下不單單遭到了周圍環境的腐蝕，還要因為自身存在應力使得腐蝕速度加快的一種現象。

1 應力腐蝕的特點

01應力腐蝕造成的破壞是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。即應力腐蝕有時稱之為低應力脆斷。即使是塑韌性非常好的材料，其應力腐蝕斷裂的宏觀形貌也是完全脆性的。

02只有在特定的合金成分與特定的介質環境下組合時才會造成應力腐蝕。后續本文將按材料類別作詳細介紹。

03造成應力腐蝕破壞的是靜應力，其應力值可遠低于材料的屈服強度，而且一般是拉應力（近年來，也發現在不銹鋼材料中壓應力也會引起）。此處的應力可以是外應力或外加應力，也可以是制造過程的焊接、冷加工或熱處理產生的殘余應力。對于由于冷加工過程造成的殘余應力，若經過應力處理，這種事故就可以避免。

04應力腐蝕破壞處的斷口，斷口較為粗糙，其顏色灰暗或黑色，但深裂紋的裂夾區顏色可能很淺，不易為肉眼辨認，表面常伴有腐蝕產物析出，而若是疲勞斷口的表面，其新鮮斷口常常有光澤，且較光滑。

05應力腐蝕的裂紋擴展速度一般在1 ×（10－9～10－6 ）m/s，跟疲勞斷裂有點像，是緩慢漸進的，其遠大于沒有應力時的腐蝕速度，又遠小于單純力學因素引起的斷裂速度。這種由亞臨界擴展狀況一直達到某一臨界值，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發生斷裂。而且裂紋部位存在孕育區、擴展區和瞬斷區三部分。

06應力腐蝕的裂紋多從表面腐蝕坑底部或點腐蝕小孔開始，而裂紋的傳播途徑垂直于拉應力方向。

07應力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。但也不要絕對認為應力腐蝕裂紋總是分枝的。

應力腐蝕斷裂機理圖

2可產生應力腐蝕的常見環境

對于奧低體不銹鋼來說，常見可產生應力腐蝕破壞的介質有：氯化物水溶液、連多硫酸、堿溶液、高溫高壓含氧高純水、熔融氯化物、中性氯化物溶液、海水。

對于鎳及鎳合金來說，常見可產生應力腐蝕破壞的介質有：熔融氫氧化物、熱濃氫氧化物溶液、HF蒸汽和溶液。

對于碳鋼和低合金鋼來說，常見可產生應力腐蝕破壞的介質有：NaOH 溶液、含硫化氫（H2S）和鹽酸（HCl）溶液、液氨、沸騰硝酸鹽溶液、碳酸鹽、磷酸鹽、海水、海洋性和工業性氣氛。

對于高強鋼來說，常見可產生應力腐蝕破壞的介質有：各種水介質、含痕量水的有機溶劑、氰化氫（HCN）溶液。

對于鈦和鈦合金來說，常見可產生應力腐蝕破壞的介質有：發煙硝酸、甲醇（蒸汽）、NaCl 溶液（＞290℃）、硫酸（H2SO4）溶液、（6%～7%）鹽酸、鹽酸（HCl）溶液（10%，35℃）、濕氯氣（（288℃，346℃，427℃）、300℃以上的氯化物、N2O4、三氯乙烯、CCl 4、氟利昂。

3 應力腐蝕的機理及要素

應力腐蝕機理發生可以簡單地歸結為四個過程：滑移、膜破、陽極溶解、再鈍化。“鈍化膜理論”表明在應力或活性離子的作用下腐蝕破壞時，首先表現為鈍化膜的破壞。破壞部分成為陽極；裂紋尖端應力集中降低陽極電位，加速陽極溶解。在應力作用下表面鈍化膜破壞是由于臨近裂紋尖端處容易產生局部塑性變形而形成滑移臺階所致。“陽極溶解理論”認為陽極金屬的不斷溶解導致應力腐蝕SCC裂紋的形核和擴展，造成合金結構的斷裂。在應力和腐蝕介質的聯合作用下，金屬表面的缺陷處形成微蝕孔或裂紋源。微蝕孔和裂紋源的通道非常窄小，孔隙內外溶液不容易對流和擴散，形成所謂“閉塞區”。在閉塞區，氧迅速耗盡，得不到補充，最后只能進行陽極反應。閉塞區縫內金屬離子水解產生H+離子，使pH值下降，為了維持電中性，縫外的 Cl－陰離子可移至縫內，形成腐蝕性極強的鹽酸，使縫內腐蝕以自催化方式加速進行。

應力腐蝕斷裂機理圖

影響應力腐蝕開裂的因素可以大致分為應力因素、環境因素和冶金因素（材料因素），三者缺一不可。

4應力腐蝕的預防措施

預防應力腐蝕的措施有：合理選擇金屬材料；優化結構設計，采用合理的熱處理，減少或消除設備材料中的殘余應力；加入緩蝕劑，改變設備所處的環境；采用電化學保護，使金屬遠離電化學腐蝕區域等。

01合理選擇金屬材料

根據設備材料所承受的應力和接觸的化學介質，選用耐應力腐蝕的金屬材料。如在高濃度氯化物介質環境中，采用不含鎳、銅或僅含微量鎳、銅的低碳高鉻鐵素體不銹鋼，或含硅較高的鉻鎳不銹鋼，也可選用鎳基和鐵鎳基耐蝕合金。又如在氨環境中，銅對氨的應力腐蝕敏感性高，選用材料時盡量避免使用銅合金。合理選材，避免容易產生應力腐蝕開裂的材料與環境組合。

02優化結構設計

采用合理的熱處理，減少或消除設備材料中的殘余應力在設備設計時優化設備結構，也可采用降低設備材料設計應力水平；在設備制造時，采取措施消除或降低加工和焊接的殘余應力、也可采用表面處理的方法（噴丸、表面熱處理等方法）使表面產生殘余壓應力減緩。也可以利用水壓試驗、溫差拉伸和振動來進行應力排除或消除。

03加入緩蝕劑，改變設備所處的環境

通過減少或消除應力腐蝕開裂的有害離子是一種較為有效的方法。如通過水凈化處理，降低冷卻水與蒸汽中的氯離子含量，對降低奧氏體不銹鋼的氯脆十分有效。另外也可以在設備介質中添加緩蝕劑。如在液氨中添加大于或等于0.2%的水作緩蝕劑，也可作為防止應力腐蝕裂紋的輔助措施。

04采用電化學保護

因為金屬在化學介質中只有在一定的電極電位范圍內才會產生應力腐蝕現象，因此采用外加電位的方法，使金屬在化學介質中的電位遠離應力腐蝕敏感電位區域，也是一種防止措施。一般采用陰極保護法。但此方法不適用于高強度鋼和其它氫脆敏感材料。

05其它

另外，也可以要求設備制造完成后，設備內表面要求光潔、清除焊渣或焊瘤，以免點蝕創造應力腐蝕條件。文明施工，在設備組裝過種中，操作人員應依照規定的工藝流程進行操作，不留人為的應力殘留，不暴力裝卸或組裝。嚴格按照焊接工藝進行焊接操作。對相關設備進行定時檢查，定時對設備外觀進行全面檢查，發現問題后要第一時間進行上報。設備檢修工作中要文明施工，采用正確的方式將拆解的設備嚴格按圖紙進行組裝，并認真檢查組裝工作質量。

5 結語

設計環節設計人員應充分考慮應力腐蝕問題，后期環節接觸設備人員要足夠的意識和責任心去面對，對涉及應力腐蝕的化工設備要有針對性。

應力腐蝕的發生需要一定的時間，注意各環節對化工設備的重視。對于可能出現應力腐蝕開裂的設備，需要從設計、制造、施工和安裝、使用等過程入手，減少殘余應力和附加應力的存在，這樣也能減少或避免應力腐蝕的產生。

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責任編輯：韓鑫

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