应力腐蚀断裂

压力容器的腐蚀断裂是指承压部件由于受到腐蚀介质的腐蚀而产生的一种断裂形式。据美国总电站公司对美国及欧洲700个公司关于配管系统事故情况的调査统计，在399件破坏事例中，属于腐蚀破坏的有112件，约占总件数的28%。在国内，容器因腐蚀而在运行中发生破裂爆炸的事例也是常见的，特别是在石油化工容器中。

钢的腐蚀破坏形式按它的破坏现象来分，可以分为均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳。其中，点腐蚀和晶间腐蚀属于选择性腐蚀，应力腐蚀和腐蚀疲劳属于腐蚀断裂。

根据承压设备的情况，主要讨论应力腐蚀断裂。应力腐蚀是特殊的腐蚀现象和腐蚀过程，应力腐蚀断裂是应力腐蚀的最终结果。

一、应力腐蚀及其特点

应力腐蚀又称腐蚀裂开，是金属构件在应力和特定的腐蚀性介质共同作用下导致脆性断裂的现象，叫应力腐蚀断裂。金属发生应力腐蚀时，腐蚀和应力起互相促进的作用，一方面腐蚀使金属的有效截面积减小，表面形成缺口，产生应力集中；另一方面应力加速腐蚀的进程，使表面缺口向深处（或沿晶间）扩展，最后导致断裂。所以应力腐蚀可以使金属在应力低于它的强度极限的情况下破坏。应力腐蚀及其断裂有以下特点：

（1） 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。应力既可由载荷引起，也可是焊接、装配或热处理引起的内应力（残余应力）。压缩应力不会引起应力腐蚀及断裂。

（2） 纯金属不发生应力腐蚀破坏，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。

（3） 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，即当两者是某种特定组合时才会发生应力腐蚀。常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质见表9−1。

表9−1 常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质

（4） 应力腐蚀是一个电化学腐蚀过程，包括应力腐蚀裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展等阶段，失稳扩展即造成应力腐蚀断裂。

化工压力容器中常见的应力腐蚀有：液氨对碳钢及低合金钢的应力腐蚀，硫化氢对钢制容器的应力腐蚀，苛性碱对压力容器的应力腐蚀（碱脆或苛性脆化），潮湿条件下一氧化碳对气瓶的应力腐蚀等。国内外均发生过多起压力容器应力腐蚀断裂事故。

二、应力腐蚀断裂的特征

（1） 即使具有很高延性的金属，其应力腐蚀断裂仍具有完全脆性的外观，属于脆性断裂，断口平齐，没有明显的塑性变形，断裂方向与主应力垂直。突然脆断区断口，常有放射花样或人字纹。

（2） 应力腐蚀是一种局部腐蚀，其断口一般可分为裂纹扩展区和瞬断区两部分。前者颜色较深，有腐蚀产物伴随；后者颜色较浅且洁净。断口微观形貌在其表面可见到覆盖的腐蚀产物及腐蚀坑。

（3） 应力腐蚀断裂一般为沿晶断裂，也可能是穿晶断裂。裂纹形态有分叉现象，呈枯树枝状，由表面向纵深方向发展，裂纹的深宽比（深度与宽度的比值）很大。

（4） 引起断裂的因素中有特定介质及拉伸应力。

三、应力腐蚀断裂过程

应力腐蚀断裂过程可分为以下三个阶段。

1. 孕育阶段

这是裂纹产生前的一段时间，在此期间主要是形成蚀坑，作为裂纹核心。当部件表面存在可作为应力腐蚀裂纹的缺陷时，则没有孕育期而直接进入裂纹扩展期。

2. 裂纹亚稳扩展阶段

在应力和介质的联合作用下，裂纹缓慢地扩展。

3. 裂纹失稳扩展阶段

这是裂纹达到临界尺寸后发生的机械性断裂。

四、应力腐蚀断裂的预防

由于对应力腐蚀的机理尚缺乏深入的了解和一致的看法，因而在工程技术实践中，常以控制应力腐蚀产生的特点和条件作为预防应力腐蚀的主要措施，其中常见的有：

（1） 选用合适的材料，尽量避开材料与敏感介质的匹配，如不以奥氏体不锈钢作为接触海水及氯化物的容器。

（2） 在结构设计中避免过大的局部应力。

（3） 采用涂层或衬里，把腐蚀性介质与容器承压壳体隔离。

（4） 在制造中采用成熟合理的焊接工艺及装配成形工艺并进行必要合理的热处理，消除焊接残余应力及其他内应力。

（5） 应力腐蚀常对水分及潮湿气氛敏感，使用中应注意防湿防潮。对设备加强管理和检验。