承压设备常见的损伤模式

摘要：本文主要介绍了承压类设备常见的损伤模式类别，并重点介绍了各损伤模式的主要损伤机理、易发生部位、预防措施及检测方法。

关键词：损伤模式 损伤机理 环境开裂 材质劣化 机械损伤

一、环境开裂的种类

环境开裂共有13种损伤模式：

氯化物应力腐蚀开裂、碳酸盐应力腐蚀开裂、

硝酸盐应力腐蚀开裂、碱应力腐蚀开裂、胺应力腐蚀开裂、氨应力腐蚀开裂、湿硫化氢破坏、氢氟酸致氢应力开裂、氢脆、高温水应力腐蚀开裂、连多硫酸应力腐蚀开裂、液体金属脆断;

以下重点介绍几种常见的应力腐蚀开裂机理、形态及主要影响因素。

1.氯化物应力腐蚀开裂的裂纹特点：多呈树枝状，有分叉;

敏感材料：不锈钢;

敏感环境：干-湿交替、水-汽交替，会导致氯化物局部浓缩聚集;

2.碱应力腐蚀

与碱溶液接触的设备或管道表面发生的应力腐蚀开裂，多出现在未进行消除应力热处理的焊缝附近，它可在几小时或几天内穿透整个设备或管线的壁厚。

碱应力腐蚀开裂的裂纹细小，多呈蜘蛛网状;

伴热和蒸发设备不合理，出现冷-热交替、干-湿交替、局部浓缩聚集;

3.氨应力腐蚀

碳钢和低合金钢在无水液氨中，或铜合金在氨水溶液中发生的应力腐蚀开裂;

4.湿硫化氢破坏

湿硫化氢破坏包括氢鼓泡、氢致开裂、应力导向氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂四种形式;

发生在含水和硫化氢环境中;

（1）金属表面硫化物腐蚀产生的氢原子扩散进入钢中，在钢的不连续处（如夹杂物、裂隙等）聚集并结合生成氢分子，当氢分压超过临界值时会引发材料的局部变形，形成鼓泡;

（2）氢致开裂的产生机理

氢鼓泡在材料内部不同深度形成时，鼓泡长大导致相邻的鼓泡不断连接，形成台阶状裂纹;氢致开裂沿厚度方向不断相连并形成穿透至表面的裂纹。

5.氢脆

氢脆是制造、焊接或服役等过程中氢原子扩散进入高强度钢中，使其韧性下降，在残余应力及外部载荷的作用下发生的脆性断裂，是氢引起的滞后开裂;

6.高温水应力腐蚀开裂

高温水（大于300摄氏度）环境中，尤其是偏酸性或碱性时，水的电离能力增强，在拉应力作用下，金属构件高拘束区域发生的表面开裂;

二、材质劣化的种类

材质劣化的种类共有15种：分别为晶粒长大、渗碳、渗氮、球化、石墨化、脱碳、金属粉化、o相脆化、475度脆化、回火脆化、辐照脆化、钛氢化、再热裂纹、脱金属腐蚀、敏化（晶间腐蚀）。

以下重点介绍几种常见的腐蚀机理、形态及主要影响因素。

1.晶体长大

材料由细小等轴晶粒变为粗大晶粒，材料的抗拉强度降低，韧性降低，抗蠕变能力下降;

2.渗氮

金属与氮化物含量高的高温介质接触时，金属表面形成硬脆层的过程;

3.球化

球化损伤是材料在高温（440度-760度）长期使用过程中，珠光体中渗碳体形态由最初的层片状逐渐转变成球状的过程;

4.石墨化

长期在427度-596度温度范围内使用的碳钢和0.5MO钢，其碳化物分解生成石墨颗粒的过程;

5.渗碳

高温下（通常大于593度）金属材料与渗碳环境接触时，碳元素向金属材料内部扩散，产生金属碳化物脆性相的过程;

6.脱碳

热态下，介质与金属中的碳发生反应，使合金表面失去碳，導致碳含量降低，材料的强度下降。

金属接触高温环境，在某些高温气体环境中使用、热处理、火焰炙烤时会发生脱碳;

7.回火脆化

低合金钢长期在343度-593度范围内使用时，操作温度下材料韧性没有明显降低，但材料组织微观结构已变化，降低温度后（如停工检修期间）发生脆性开裂的过程;

8.再热裂纹

金属在焊后热处理或高温服役期间，高应力区发生应力消除或应力松弛，粗晶区应力集中区域的晶界滑移量超过该部分塑性变形能力而发生开裂;

9.脱金属腐蚀

多相合金表面组分的耐腐蚀性能不同，在腐蚀介质的作用下，活性较大的组分被优先溶解或氧化，先发生损失，甚至脱除，较稳定的组分则残留下来，呈现多孔特征，导致材料的密度降低;

10.敏化—晶间腐蚀

普通的300系列不锈钢含碳量很高，属于非稳定态，室温时碳在奥氏体不锈钢中的溶解度很小，远低于不锈钢的实际含碳量，因此过饱和的碳被固溶在奥氏体中，当温度超过425度，并在425-815度范围内，过饱和的碳不断向晶粒边界扩散，并和铬元素结合，形成碳化铬。铬在晶粒内的扩散速度比沿晶界扩散的速度小，内部的铬来不及向晶界扩散，使晶界附近的含铬量大为减少;

当形成贫铬区时，在腐蚀介质作用下，被快速腐蚀，晶界首先遭到破坏，晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化，强度大大降低。

三、机械损伤的种类

机械损伤的种类共有11种：分别为机械疲劳、热疲劳、振动疲劳、接触疲劳、机械磨损、冲刷、汽蚀、过载、热冲击、蠕变、应变时效;

以下重点介绍几种常见的机械损伤机理、形态及主要影响因素。

1.机械疲劳损伤是指在循环机械载荷作用下，材料、零件或构件在一处或几处产生局部永久性累积损伤而产生裂纹的过程。经一定循环次数后，裂纹不断扩展，可能导致突然完全断裂;

容易发生机械疲劳损伤的设备有：减压阀、流量调节阀附近的设备和管道;间断运行的设备;温度周期性变化的设备;离心泵和压缩机;出口和入口管道;可能引起共振的设备和管道;使用中不断循环的设备（如吸附器、焦炭塔）

2.热疲劳

温度变化导致零件截面上存在温度梯度，厚壁件尤为明显，在温度梯度最大处会引起应力集中，应变最大处发生局部开裂，受温度变化引起的周期性应力作用不断扩展。高温区间内材料内部组织结构发生变化，降低了材料抗疲劳能力，加速热疲劳破坏速率。

3.振动疲劳

设备或构件在振动载荷、水锤、或不稳定流体流动等动态载荷作用下，引起了交变载荷，产生疲劳开裂;

4.接触疲劳

材料、零部件在循环接触应力作用下，摩擦工件材料受法向载荷和切向载荷长期的反复连续作用，产生局部永久性损伤，经一定的循环次数后，接触表面损伤累积产生麻点，形成浅层或深层材料剥落，发生表面疲劳破坏;

5.冲刷

固体、液体、气体或其任意之间组合，发生冲击或相对运动，造成材料表面层机械剥落加速的过程;

6.汽蚀

汽蚀是指无数微小气泡形成后又瞬间破裂，形成高度局部化的冲击力，由此造成金属损失。气泡可能来自于液体汽化产生的气体、蒸汽、空气、或其他液态介质中夹带的气体。

7.过载

外加载荷超过设备的承受极限，导致设备发生变形或破坏。如物料的流动性或其能量在承压设备内处于非平衡态时，物料或能量在容器内发生聚集累加，造成承载压力超过设备最大允许工作压力，形成超压或负压过大，会发生变形、失稳或破裂;

8.应变时效

钢在中等温度（一般100-300度）下保温一段时间后，材料晶格出现了滑移层而扭曲，对固溶合金元素的溶解能力下降，呈现出饱和或过饱和状态，促使被溶物质扩散及析出，导致韧性及塑性下降，而强度和硬度提高的现象。

9.其他损伤种类

共9种损伤模式：分别为高温氢腐蚀、腐蚀疲劳、冲蚀、蒸汽阻滞、低温脆断、过热、耐火材料退化、铸铁石墨化腐蚀、微动腐蚀。

参考文献：

1.《承压设备损伤模式识别》

作者简介：杨月（1987年1月——），女，汉，籍贯：重庆江津市，本科，助理工程师，研究方向：工程技术。