淺析環境因素對材料的影響

摘 要：分析了一特定設備在特定環境下，材料所受到的腐蝕危害性及影響因素，總結了此次案例的經驗教訓及受到的啟示。

關鍵詞：應力腐蝕；氯離子；壓力容器；

文章編號：1674-3520（2015）-04-00-02

Abstract：The damage of the stress corrosion cracking and its factors of the special equipment in the special environmentwere analyzed. The lessons and the enlightenment learned from this case are summarized.

Key words：stress corrosion；chloridion；pressure vessel；

選擇材料是石油化工設備設計中的重要環節。對于給定工況選擇合適的材料是設計工程師的責任。材料選擇涉及方方面面，從一般性的情況來說，工程師在選擇工程材料時，一是分析業主方提供的設計數據，二是計算產品的受力情況，三是查閱國標及其他標準所規定的要求，如無特殊情況，這三條滿足后，再結合市場情況考慮所選材料。但某些特殊環境下的工程，就要小心環境因素對材料產生的影響，材料中的某些成分可能會受特殊環境的影響，日積月累而產生不良的變化。在此，以一工程實例來分析此種情況。

某一工程所在位置地形是南高北低，坡向海岸，在此坡上要建立一座脫乙烷塔，設計壓力為2.0MPA， 設計溫度為-65℃/10℃，原設計塔體材質為09MnNiDR，但因此材料在當時市場上很難買到，工期又緊，后申請材料代用，代用材料為 0Cr18Ni9，代用材料厚度不變。設備經 100%RT 檢測合格。

脫乙烷塔是在低溫環境下工作的設備，由于低溫脆性的存在，材料選擇時首先考慮到低溫段的材質材選用和制造技術要求， 低溫用鋼最危險的失效形式是低溫脆斷， 它會在沒有任何預兆的情況下突然發生， 造成工程上的災難性破壞， 必須引起高度的重視。

0Cr18Ni9屬于18- 8 型奧氏體不銹鋼， 具有在低溫下使用的經驗。一般常用的壓力容器用鋼是體心立方晶格結構的金屬，在設計溫度較低時，易產生裂紋的形核， 低溫和有害雜質元素減小了擴展阻力， 增大了材料的脆斷性，因此， 在設計溫度較低時，宜采用面心立方結構的奧氏體不銹鋼作為主要受壓元件用材。而18- 8 型奧氏體不銹鋼屬于面心立方晶體結構， 具有優異的低溫韌性， 廣泛用于介質為液化氣等的壓力容器， 其使用溫度最低可達- 196℃， 因此， 完全能滿足該塔的設計條件。其他的面心立方結構的金屬， 如銅、 鎳等， 雖具有良好的低溫韌性， 但價格太高， 且作為壓力容器用鋼的經驗少， 而 0Cr19Ni9 鋼板也是GB150《鋼制壓力容器》規定的材料。基于低溫工況的考慮，施工方同意了制造單位提出的用0Cr18Ni9代用09MnNiDR的方案。

投產后，業主定期會進行塔內安全檢測，十年來無任何問題，但從沒進行過塔體外部檢測。在去年的偶然一次檢查塔體外部時，發現塔體下段出現裂紋，裂紋出現在下段直徑為 1500mm 的塔體，主要集中在下封頭往上三個筒節上，第四筒節上也有局部裂紋。塔體母材沿著塔體軸向開裂，最長的裂紋將近 800mm，裂紋深度達到 10mm，如下圖所示：

焊縫金屬上產生的裂紋垂直于焊縫，貫穿于焊縫金屬、熱影響區及焊縫附近母材。經過對下封頭往上三個筒節做 100%PT 檢測，裂紋分布廣。

業主方緊急通知了設計方，裂紋試樣經過分析，分別觀察了表面、橫截面及裂紋開裂處的形貌并分析了腐蝕產物的組成， 同時采用能譜對取回的保溫材料進行了成分分析。可以看到，試樣表面既有穿晶、也有沿晶裂紋。將裂紋掰開后，采用掃描電鏡觀察得到斷口腐蝕產物的形貌以及腐蝕產物的能譜分析結果，如下圖所示：

上圖分析表明腐蝕產物中除了有 Fe、Cr 等金屬元素外，還含有少量的 Cl，斷口主要呈現脆性特征，有應力腐蝕特征。而保溫材料的能譜分析結果表明保溫材料中主要成分為碳、氧，由此推測腐蝕產物中的氯可能來自于海洋大氣環境。

業主與設計方經過商討，確定了最終的整修方案，但我們通過這個案例的分析可以得到以下幾點的啟示：

1、應力腐蝕不同于其他形式的材料腐蝕，它是對于特定材料在特定工況下發生的腐蝕形式， 是化學工業、天然氣與石油開采以及加工工業、 冶金工業、 火電工業及核電工業等領域使用的壓力容器的最危險的損傷之一。應力腐蝕所引起的破壞在事先往往沒有明顯的變形預兆而突然發生脆性斷裂， 其危害性相當大， 可以說是一種災難性腐蝕，因此，如果工況中含有一定的腐蝕介質，例如硫化氫，氯離子等，要特別注意預防應力腐蝕的發生，及早的制定預防措施及相應的對策。在設備維護期間， 要嚴格執行有關法規， 根據設備檢修有關規定， 切實做好定期檢查、 取樣， 掌握壓力容器在運行中缺陷的發展和腐蝕情況，對發現的問題應及時采取補救措施， 由此對于防止設備繼續腐蝕、延長使用壽命以及確保壓力容器安全運行具有重要意義。

2、設備在設計選材時，不僅要考慮工況，還應考慮環境的影響。在這起案例中，0Cr18Ni9材料是完全能適應脫乙烷塔的工況條件的，對于常規腐蝕，低溫工況這樣的使用條件，0Cr18Ni9是具有足夠使用經驗的材質，它本身也具有足夠的耐晶間腐蝕能力和優良的耐蝕性。然而，海洋大氣環境的影響卻沒有被充分考慮到，海島常年潮濕氣候中含有的較高濃度的氯離子，加速了奧氏體不銹鋼外表面的應力腐蝕情況。

3、材料代用不能只簡單的考慮以高代低。此案例的發生也與材料代用有關，材料代用在設備制造過程中是不可避免的，在設備制造過程中， 由于采購困難或為了對現有材料進行充分利用等原因， 材料代用問題在目前的壓力容器設計中時有發生。在以往的代用考慮中，大部分都以“以高代低”的原則處理，然而材料性能的高低也是相對而言，材料性能對于某種材料而言不是確定不變的， 一種材料在某一方面的性能“高”于另一種材料的同時，有可能在其它方面“低”于另一種材料， 在不同的情況下， 人們對材料性能的需求是千變萬化的， 在材料代用問題上的“高低”判斷， 只能具體問題具體分析， 這方面的事例在壓力容器中是常見的。代用時除了考慮材料的強度、剛度、穩定性，同時還要對介質腐蝕，環境影響，材料性能等方面做一個綜合的評價。

以上是本人對此次案例中一個特定設備的設計，制造，運作及發生事故情況的回顧，分析及總結，相信總結得到的啟示會對以后的設備設計工作有很大的幫助，從以往案例中得到的經驗將會變成對未來設計的考量，為以后的工作打下更堅實的基礎及提供更全面的視野。

參考文獻：

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