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如何有效地防止焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，減少經(jīng)濟(jì)損失

2020-02-17 11:39:08 作者：百若來源：設(shè)備管理與防腐分享至：

應(yīng)力腐蝕破壞常簡寫為SCC ( Stress Corresion Cracking)，又簡稱為應(yīng)力腐蝕，它是指材料或結(jié)構(gòu)在腐蝕介質(zhì)和靜應(yīng)力共同作用下引起的斷裂。應(yīng)力腐蝕破壞是一個(gè)自發(fā)的過程，只要把金屬材料置于特定的腐蝕介質(zhì)中，同時(shí)承受一定的應(yīng)力，就可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破壞。它往往在遠(yuǎn)低于材料屈服點(diǎn)的低應(yīng)力下和即使是很微弱的腐蝕環(huán)境中以裂紋的形式出現(xiàn)，是一種低應(yīng)力下的脆性破壞，危害極大。

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焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕破壞

1．焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕

由于焊接過程中的不均勻加熱等因素，使得焊接結(jié)構(gòu)存在殘余應(yīng)力，其拉伸殘余應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用，就可導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕破壞。

2．焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕破壞事例

應(yīng)力腐蝕破壞是危害最大的腐蝕形態(tài)之一，它是一種災(zāi)難性腐蝕。因?yàn)樗且环N事先不易察覺的脆性斷裂，即它使金屬結(jié)構(gòu)等突然破壞，會(huì)引起各種不幸事故，如爆炸、火災(zāi)、環(huán)境污染等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美、英原子能容器及系統(tǒng)配管破壞事故1 /3以上是由應(yīng)力腐蝕引起的，據(jù)德國一家大化工廠統(tǒng)計(jì)，1968一1972年間，在全部設(shè)備的腐蝕破壞事故中，應(yīng)力腐蝕破壞超過總數(shù)的1/4。在日本，1965一1975年間化工設(shè)備所發(fā)生的破壞事故中有近半數(shù)屬于應(yīng)力腐蝕破壞。我國的各類球罐，從1975一1979年所發(fā)生的20起球罐破壞事故中，有40%是由應(yīng)力腐蝕引起的。

防止焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的措施

應(yīng)力腐蝕破壞是危害最大的腐蝕形態(tài)之一，它不僅造成經(jīng)濟(jì)上的大量損失，還經(jīng)常引起災(zāi)難性事故，因此，有必要采取防護(hù)措施，盡量避免和消除應(yīng)力腐蝕破壞。

1．正確選材

由于引起應(yīng)力腐蝕的腐蝕介質(zhì)隨著材料的種類不同，對(duì)材料引起應(yīng)力腐蝕的程度也有所不同。因此防止和減輕腐蝕危的最常用的也是最重要的方法是針對(duì)特定腐蝕環(huán)境選擇合適的金屬材料。選材時(shí)應(yīng)盡量采用耐應(yīng)力腐蝕性好，價(jià)格適宜的金與介質(zhì)的組合。可能時(shí)也可選用非金屬或非金屬襯里保護(hù)。

對(duì)于碳鋼和低合金鋼；抗拉強(qiáng)度相同的材料，w（C）為0.2%時(shí)比w（C）為0.4%時(shí)的耐蝕性好，添加Ti可增加耐蝕性；在材料中添加Al，Mo，Nb，V，Cr等元素有改善耐蝕性的效果：P、N、O是有害于耐蝕性的元素，S的影響不大。目前橋梁等所使的高強(qiáng)度螺栓就體現(xiàn)了以上結(jié)論。

對(duì)于不銹鋼來說，在含Cl一的溶液中，奧氏體不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕最差，18Cr18Ni2Si【w（C）為0. 06%】鋼在高Cl一溶液中耐蝕性較好，而在低Cl一溶液中耐蝕性則不好。而奧氏體鐵素體雙相鋼(Cr20Ni18)對(duì)含低Cl一的水則有較好的耐應(yīng)力腐蝕性，w（Ni + Cu)大于 φ（F）> 0. 5%的鋼在這種介質(zhì)中也有較好的耐蝕性。在奧氏體鋼中加人少量的Mo或Cu，可增大其耐應(yīng)力腐蝕性。

另外，在選取合金時(shí)，應(yīng)盡量選用有較高KISCC的合金，以提高構(gòu)件抵抗應(yīng)力腐蝕的能力。總之，正確選材是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要根據(jù)許多因素(如物理力學(xué)性能、材料供應(yīng)情況以及價(jià)格等)綜合考慮。

2．合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)在設(shè)計(jì)中，除了要考慮強(qiáng)度上的需要外，同時(shí)還要考慮耐腐蝕的需要。在設(shè)計(jì)壓力容器、管道、槽及其他結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)壁厚增加腐蝕(當(dāng)然這只是一般腐蝕)裕度。

2)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免和減小局部應(yīng)力集中，盡可能地使截面過渡平緩，應(yīng)力分布均勻。可以采用流線型設(shè)計(jì)，將邊、縫、孔等置于低應(yīng)力區(qū)或壓應(yīng)力區(qū)，并避免在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生縫隙、拐角和死角，因?yàn)檫@些部位容易引起介質(zhì)溶液的濃縮而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞。

3)設(shè)計(jì)時(shí)，如果對(duì)槽、容器等采用焊接不用鉚接，對(duì)施焊部位用連續(xù)焊而不用斷續(xù)焊，則可以避免產(chǎn)生縫隙，增加結(jié)構(gòu)抗應(yīng)力腐蝕的能力。

圖4-8結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)示例

4)設(shè)計(jì)槽及容器時(shí)，應(yīng)考慮易于清洗和將液體排放干凈。槽底與排液口應(yīng)有坡度，使其放空后不至積留液體。設(shè)計(jì)中要防止有利于應(yīng)力腐蝕的空氣混入，如對(duì)于化工設(shè)備，特別要注意可能帶進(jìn)空氣的攪拌器、液體進(jìn)口和其他部位的設(shè)計(jì)。

5)避免不同金屬接觸以防止電偶腐蝕。可能時(shí)，全部體系選用同類材料，或?qū)⒉煌牧现g絕緣。

6)換熱操作中應(yīng)避免局部過熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證有均勻的溫度梯度。因?yàn)闇囟炔痪鶗?huì)引起局部過熱和高腐蝕速率，過熱點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)引起應(yīng)力腐蝕破壞。

綜上所述，設(shè)計(jì)時(shí)要避免不均勻和多樣性。不同的金屬、氣相空間、熱和應(yīng)力分布不均勻以及體系中各部位間的其他差別，都會(huì)引起腐蝕破壞。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)努力使整個(gè)體系的所有條件盡可能地均勻一致。

3．消除和調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力

表4-2列出了對(duì)不銹鋼設(shè)備按應(yīng)力種類統(tǒng)計(jì)的應(yīng)力腐蝕破壞事故數(shù)。由表4-2可知，因焊接和加工時(shí)的殘余應(yīng)力所引起的事故是應(yīng)力腐蝕破壞事故總數(shù)的80%以上。所以在機(jī)械設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)盡可能地減小殘余應(yīng)力，以防止應(yīng)力腐蝕破壞事故的發(fā)生。

1)采用合理的施焊工藝降低殘余應(yīng)力，并在加工過程中避免由于裝配不當(dāng)?shù)人斐傻木植繎?yīng)力。

2)采用熱處理方法減小或消除殘余應(yīng)力。對(duì)于一般的焊接鋼結(jié)構(gòu)采用消除應(yīng)力退火處理即可。而對(duì)奧氏體不銹鋼在550一850℃的熱處理會(huì)降低耐蝕性，所以希望至少加熱至870℃以上，如果可能，應(yīng)采取加熱至1050℃并急冷的固溶處理。對(duì)于容易引起回火脆性的鋼，例如800 MPa級(jí)的高強(qiáng)度鋼，進(jìn)行消除應(yīng)力退火雖然會(huì)惡化焊接區(qū)的斷裂韌度，但是減小殘余應(yīng)力具有防止應(yīng)力腐蝕裂紋的效果。對(duì)于氫脆型的高強(qiáng)度鋼，熱處理消除應(yīng)力的辦法無助于防止破裂。

總的來看，熱處理消除應(yīng)力是一項(xiàng)有效的、普遍的防止應(yīng)力腐蝕的措施，但是也有不便之處，尤其是對(duì)大型結(jié)構(gòu)。另外一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)是由具有不同膨脹系數(shù)的不同材料組合成的，也不宜同時(shí)加熱，對(duì)于這些結(jié)構(gòu)可以采用局部熱處理或利用感應(yīng)加熱處理等。

3)調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力場使構(gòu)件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。如果熱處理消除殘余應(yīng)力實(shí)行起來很困難，可以采用噴鋼丸等機(jī)械方法使構(gòu)件表面造成壓應(yīng)力場，以提高構(gòu)件抗應(yīng)力腐蝕的能力。

4．控制電位—陰極和陽極保護(hù)

使金屬在介質(zhì)中的電位遠(yuǎn)離應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感電位區(qū)域，從而完成電化學(xué)保護(hù)。

如一臺(tái)不銹鋼換熱器，管外系含有C1一的水，因積存在花板與管子間隙之中，引起了不銹鋼管的應(yīng)力腐蝕破壞，在不銹鋼花板上面加一層較厚的碳鋼板，碳鋼提供了犧牲陽極的陰極保護(hù)作用，用了三年，未發(fā)現(xiàn)不銹鋼管破裂(見圖4-9 )。以往未加碳鋼表層時(shí)，則在使用1-9個(gè)月內(nèi)即破裂。

但應(yīng)注意，對(duì)于高強(qiáng)度鋼或其他對(duì)氫脆敏感的材料，采用陰極保護(hù)或陽極保護(hù)均無效，有時(shí)反而會(huì)促進(jìn)破壞。

5．用鍍層或涂層隔離環(huán)境

良好的涂層可以使金屬表面和環(huán)境隔離開來，從而避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。一般涂層總含有微孔，在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中不安全，但產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境通常是溫和的環(huán)境，如含Cl一的水。涂層的存在不僅大大增加了溶解阻力，也使金屬表面局部破裂的可能性減小。如輸送熱溶液的不銹鋼管子，外表面用石棉層絕熱，由于石棉層中有C1一浸出，引起不銹鋼的受熱表面破裂，若不銹鋼外表面涂上有機(jī)硅涂料后，就不再破裂。對(duì)于高強(qiáng)度鋼可用聚氨脂或加有緩蝕劑(如鉻酸鹽)的環(huán)氧樹脂涂料作隔離層，如：對(duì)于含鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鉻鋼采用高溫鍍鋁層，在工業(yè)大氣和海洋大氣中使用效果良好。

6．控制和改善環(huán)境

改變介質(zhì)條件可以減小或消除材料對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性。主要方法是減少或消除助長應(yīng)力腐蝕斷裂的有害化學(xué)離子。例如，奧氏體不銹鋼換熱器在高溫密閉下操作，如果將循環(huán)冷卻水中含氧和Cl一量控制在百萬分之一以下，則可以避免應(yīng)力腐蝕，為了防止煉油廠中鉻鎳不銹鋼設(shè)備受連多硫酸的應(yīng)力腐蝕，當(dāng)設(shè)備停產(chǎn)時(shí)可用堿液洗滌，然后充氮，這樣就可以防止產(chǎn)生連多硫酸(硫化物與氧作用產(chǎn)生)。另外通過凈化水的處理，可以降低冷卻水與蒸汽中的C1一含量，這對(duì)預(yù)防不銹鋼的應(yīng)力腐蝕斷裂是有效的。

降溫常常也是有效的。但對(duì)潮濕氣體，如HZS的濕氣，應(yīng)使溫度保持在露點(diǎn)以上，以避免水分冷凝。

此外，在介質(zhì)環(huán)境中加緩蝕劑也可以降低金屬材料的腐蝕速率。

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