奥氏体不锈钢压力管道的应力腐蚀开裂及预防

袁颖

摘要：笔者主要对奥氏体不锈钢压力管道的应力腐蚀开裂产生机理、影响因素及预防措施等进行了分析讨论，以期为压力管道设计安装单位？检验检测机构以及化工企业在选材？检验和运行维护等方面提供参考。

关键词：奥氏体不锈钢;压力管道;应力腐蚀开裂

1奥氏体不锈钢压力管道应力腐蚀开裂机理

由于应力腐蚀的影响因素较多，过程也比较复杂，因此对奥氏体不锈钢压力管道应力腐蚀开裂的机理尚无较清晰的认识。但对大量研究工作进行分析可知，当奥氏体不锈钢压力管道输送的介质为酸性气体或液体时，其应力腐蚀开裂机理以氢致应力腐蚀开裂为主;当输送腐蚀介质为中性或碱性的气体或液体时，其应力腐蚀开裂机理则主要遵循“滑移溶解断裂”模型。

1.1氢致应力腐蚀开裂

在拉应力诱导扩散的作用下，氢元素向裂纹尖端区域聚集。同时，拉应力导致的位错运动也会携带氢运动，当位错受阻于其他缺陷或发生反应时，氢元素将在这些位置上富集。氢元素具有使钝化膜稳定性显著下降？加速阳极溶解等作用，在氢和拉应力的协同作用下，材料的应力腐蚀敏感性大大增加。由于氢和拉应力的相互作用最强，故在最大拉应力处聚集的氢最多，这促进应力腐蚀裂纹尖端加速向前扩展。

由以上分析可知，氢致应力腐蚀开裂是氢脆和应力腐蚀协调作用的结果，奥氏体不锈钢压力管道氢致应力腐蚀开裂敏感性取决于管道内壁氢的有效性、氢在金屬及缝隙中的迁移率及氢在缺陷尖端的分布等因素。

1.2“滑移G溶解G断裂”模型

在介质氧化作用下，奥氏体不锈钢压力管道管壁覆盖着一层耐腐蚀的钝化膜，在拉应力作用下，位错沿着滑移面运动至管壁表面，从而产生滑移台阶，导致钝化膜局部断裂而出现裸露金属区域，这样有膜与无膜的区域就形成了微电池腐蚀。由于输送腐蚀介质的作用，裸露金属区域产生阳极溶解。钝化膜不仅给应力腐蚀过程提供阴极，还使阳极溶解集中在很小的裸露金属缝隙区域。因此，钝化膜破裂后，若裸露金属区域一直处于活化状态，则腐蚀必然会导致应力集中，即裂纹尖端的出现，而拉应力的作用则极大地加速了应力集中区域的溶解，促进应力腐蚀区快速纵向延伸，而横向（与拉应力平行）区域腐蚀则很慢甚至发生再钝化。

2奥氏体不锈钢压力管道应力腐蚀开裂的影响因素

2.1应力的影响

应力腐蚀开裂是拉应力和特定腐蚀介质长期共存时引起的腐蚀破坏，该拉应力可以是外加拉应力，也可以是金属内部残余拉应力。奥氏体不锈钢压力管道在机械载荷？热负荷等的作用下，整个管道或某些局部区域，如焊缝或热影响区会产生不同的应力。按应力的来源不同，可将奥氏体不锈钢压力管道的应力分为一次应力？二次应力和峰值应力，其中一次应力是外载荷作用下管道内部产生的正应力或剪切应力，二次应力是管道形变受约束而产生的正应力或剪切应力，峰值应力是管道在载荷及结构形状的局部突变时引起的局部应力集中。该3种应力所产生的拉应力若在管道中长期存在，就会导致应力腐蚀开裂的产生。焊接、冷加工变形及安装不当是残余拉应力的主要来源，当奥氏体不锈钢压力管道管壁存储的拉应力接近材料屈服强度时，管道应力腐蚀开裂的速率会非常快。

2.2输送介质腐蚀性能的影响

输送介质对奥氏体不锈钢压力管道的特定腐蚀性是其产生应力腐蚀开裂的前提条件之一，引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的常见腐蚀性介质可分为以下几方面：各种卤化物和含卤离子（如Cl-、F-等）的工业溶液和气体，如HCl溶液、NaCl溶液、氢氟酸、氟硅酸等;含Cl-的水溶液及水蒸气，如盐水、海水、河水及海洋大气等;碱性溶液，如NaOH，KOH等强碱溶液;含NO-3的溶液及气体，如HNO3溶液、硝酸盐等;含S2-，SO2-4，SO2-3及Sx O2-6等离子的酸性气体或溶液，如H2S溶液、H2SO4溶液及硫酸盐溶液等。

2.3运行温度的影响

温度对奥氏体不锈钢压力管道的应力腐蚀开裂主要起促进和增速作用。温度越高，介质中的离子运动越剧烈，导致应力腐蚀开裂加速。另外，由于碳？氮等元素导致奥氏体不锈钢具有低温韧脆转变特性，因此温度较低时，虽然应力腐蚀速率变低，但在应力腐蚀过程中更容易使奥氏体不锈钢压力管道发生脆性断裂。

2.4氢元素的影响

由氢致应力腐蚀开裂机理可知，氢降低了钝化膜的稳定性，使应力腐蚀过程中的阳极溶解加速，因此氢元素能促进奥氏体不锈钢压力管道的应力腐蚀开裂。大量试验及工业事故证实，输送介质的pH越低，奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂就越快。

3奥氏体不锈钢压力管道应力腐蚀开裂的预防

3.1合理选用材料及焊条

要预防奥氏体不锈钢压力管道的应力腐蚀开裂，管道材料和相应的焊条选择相当重要。实践及研究均表明，奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀是有条件的。因此需要综合考虑化工运行系统、压力管道的使用环境及输送介质成分等多种因素合理选择奥氏体不锈钢的成分。提高铬、镍等钝化元素的含量对增强奥氏体不锈钢耐应力腐蚀性能是相当有益的。压力管道传输的介质中，含Cl-的溶液或气体介质占很大比例，对奥氏体不锈钢压力管道应力腐蚀开裂事故进行统计发现，由氯化物引起的事故超过80%，因此优先考虑耐氯化物应力腐蚀的材料是必要的。

3.2优化焊接工艺

焊接过程中焊缝及热影响区加热和冷却不均匀，从而导致焊缝及热影响区储藏了大量的残余应力，这是奥氏体不锈钢压力管道焊缝产生应力腐蚀开裂的根本原因。基于奥氏体不锈钢焊接的特殊性，在合理选用焊条的同时，还要优化焊接工艺，采用合理的焊接顺序和参数，使焊缝及热影响区的残余拉应力降到最低，如焊接时采用小线流量的焊接参数，防止热影响区过热。

3.3避免产生应力集中部位

应力集中部位一般是奥氏体不锈钢压力管道应力腐蚀开裂的起点，因此在安装过程中应尽量避免产生应力集中部位，如避免强制性安装，防止组装过程中造成划痕和灼痕。在焊接过程中应避免出现咬边、焊瘤、未焊透、未熔合、裂纹等易产生应力集中的缺陷。

3.4改变介质成分以减弱腐蚀

输送介质的腐蚀性是奥氏体不锈钢压力管道产生应力腐蚀开裂的前提条件之一，因此可以采用降低其腐蚀性的方法以延缓管道应力腐蚀开裂速率。常用的方法有在工艺允许的条件下降低输送介质中腐蚀性离子（如Cl-）的含量、添加缓蚀剂等。

4 结束语

在化工领域，输送腐蚀性介质的压力管道常用的材料为奥氏体不锈钢，而应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢压力管道最主要的失效方式。上文主要对奥氏体不锈钢压力管道应力腐蚀开裂的机理？主要影响因素及预防措施进行了分析讨论。

参考文献：

[1]张涛，卫志刚，田力男，等.火电机组给水前置泵轴断裂原因分析[J].理化检验-物理分册，2013，49（12）：848-851.

[2]顾宝兰，张雪涛，徐彤，45钢电机轴断裂分析[J].理化检验物理分册，2013，49（5）：327-329.

（作者单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院）