壓力管道開裂腐蝕

張慧娟

摘要：壓力管道開裂腐蝕是壓力管道的主要損傷模式，處在開裂腐蝕環境中壓力管道危險性很大，本文對壓力管道開裂腐蝕機理進行了歸納總結，提出了壓力管道檢驗和安全使用的關鍵控制點。

關鍵詞：壓力管道 開裂腐蝕 敏感性材質 腐蝕性介質 拉應力

隨著我國經濟的快速發展，石化企業數量眾多，成為國民經濟的重要基礎，壓力管道是石化企業重要設備，數量大，類別多，在使用中事故頻發，其安全狀況直接關系到安全生產和經濟效益，已成為影響人民生命財產的嚴重隱患。

壓力管道腐蝕是引起壓力管道事故的主要原因，在壓力管道腐蝕中，開裂腐蝕隱患大，后果嚴重，在正常檢測中不易發現，隱蔽性強。開裂腐蝕主要包括：氯化物應力腐蝕開裂、碳酸鹽應力腐蝕開裂、硝酸鹽應力腐蝕開裂、堿應力腐蝕開裂、氨應力腐蝕開裂、濕硫化氫破壞、氫脆。

開裂腐蝕是敏感性材質在拉應力和相應腐蝕性介質作用下產生的使材質開裂的一種腐蝕。開裂腐蝕的發生必須同時具備三個條件：敏感性材質、相應介質、拉應力。一旦條件具備，開裂腐蝕就發生，速度快，不易控制，不易察覺。有效控制開裂腐蝕發生條件，是保證壓力管道安全的重要基礎。

奧氏體不銹鋼及鎳基合金鋼、碳鋼、低合金鋼、高強度鋼在壓力管道中使用普遍，對相應介質來說都是開裂腐蝕的敏感性材質；氯化物、碳酸鹽、硝酸鹽、堿、氨、濕硫化氫、氫是相應的腐蝕性介質；壓力管道承受的內壓力較高，特別是壓力管道現場焊接時，絕大多數未進行消除應力的熱處理，在焊接部位存在更高的拉應力集中。這就造成許多使用的壓力管道處在開裂腐蝕環境中。具體腐蝕機理如下：

1 氯化物應力腐蝕開裂

奧氏體不銹鋼及鎳基合金在拉應力和氯化物溶液的作用下，氯離子易吸附在金屬表面的鈍化膜上，取代氧原子后和鈍化膜中的陽離子結合形成可溶性氯化物，導致鈍化膜破壞。破壞部位的新鮮金屬遭腐蝕形成一個小坑，小坑表面的鈍化膜繼續遭氯離子破壞生成氯化物。在坑里氯化物水解，使小坑內PH值下降，局部溶液呈酸性，對金屬進行腐蝕，造成多余的金屬離子，為平衡蝕坑內的電中性，外部的氯離子不斷向坑內遷移，使坑內氯離子濃度升高，水解加劇，加快金屬的腐蝕。如此循環，形成自催化，向蝕坑的深度方向發展，形成深孔，直至形成穿孔泄漏。

2 碳酸鹽應力腐蝕開裂

在碳酸鹽溶液和拉應力共同作用下，碳鋼和低合金鋼焊接接頭附近發生的表面開裂，是堿應力腐蝕開裂的另一種特殊情況。碳酸鹽應力腐蝕開裂常見于焊接接頭附近的母材，裂紋平行于焊縫擴展，有時也發生在焊縫金屬和熱影響區；易在焊接接頭的缺陷位置形成開裂，裂紋細小并呈蜘蛛網狀：裂紋主要為沿晶型，裂紋間隙內多充滿腐蝕產物。

3 硝酸鹽應力腐蝕開裂

碳鋼和低合金鋼在含有硝酸鹽、硫化氫及NOx的物料系統中，焊接接頭區域存在拉伸應力作用的部位發生開裂的過程。硝酸鹽應力腐蝕開裂常出現在焊接接頭的焊縫金屬和熱影響區；熱影響區的裂紋多為縱向，焊縫金屬上的裂紋則以橫向為主；裂紋主要為沿晶型，裂紋內一般會充滿氧化物。

4 堿應力腐蝕開裂

暴露于堿溶液中的設備和管道表面發生的應力腐蝕開裂，多數情況下出現在未經消除應力熱處理的焊縫附近，它可在幾小時或幾天內穿透整個設備或管線壁厚。堿應力腐蝕開裂通常發生在靠近焊縫的母材上，也可能發生在焊縫和熱影響區；堿應力腐蝕開裂形成的裂紋一般呈蜘蛛網狀的小裂紋，開裂常常起始于引起應力集中的焊接缺陷處；碳鋼和低合金鋼上的裂紋主要是沿晶型的，裂紋細小并組成網狀，內部常充滿氧化物；奧氏體不銹鋼的開裂主要是穿晶型的，和氯化物開裂裂紋形貌相似，難以區分。

5 氨應力腐蝕開裂

碳鋼和低合金鋼在無水液氨中，或銅合金在氨水溶液和/或銨鹽水溶液環境中發生的腐蝕開裂。銅合金產生氨應力腐蝕開裂時多為表面開裂，穿晶或沿晶，裂紋中會有淺藍色的腐蝕產物。換熱器管束表面有單條或分叉的裂紋；碳鋼中會有淺藍色的腐蝕產物。換熱器管束表面有單條或分叉的裂紋；碳鋼暴露于液氨中的未經熱處理的焊縫金屬和熱影響區可能發生開裂。

6 濕硫化氫破壞

在含水和硫化氫環境中碳鋼和低合金鋼所發生的損傷過程，包括氫鼓泡、氫致開裂、應力導向氫致開裂和硫化物應力腐蝕開裂四種形式。

氫鼓泡：金屬表面硫化物腐蝕產生的氫原子擴散進入鋼中，并在鋼中的不連續處（如夾雜物、裂隙等）聚集并結合生成氫分子，造成氫分壓升高并引起局部受壓，發生變形而形成鼓泡。

氫致開裂：在材料內部不同深度形成氫鼓泡時，當相臨的鼓泡會連接在一起，形成的臺階狀開裂為氫致開裂。

應力導向氫致開裂：在焊接殘余應力或其他應力作用下，氫致開裂沿厚度方向不斷連通并形成最終暴露于表面的開裂。

硫化物應力腐蝕開裂；由于金屬表面硫化物腐蝕過程中產生的原子氫吸附造成的一種應力開裂。

7 氫脆

腐蝕過程中化學反應產生的氫或材料內部的氫，以氫原子形式滲入高強度鋼，造成材料韌性降低，在材料內部殘余應力及外加載荷應力共同作用下發生脆性斷裂。氫脆引起的開裂以表面開裂為主，也可能發生在表面下；氫脆發生在高殘余或三向應力的部位（缺口、縮頸）；斷裂時一般不會發生顯著的塑性變形；強度較高的鋼氫脆開裂一般形成沿晶裂紋。

8 小結

設計中要根據介質選擇材料，制造中要消除材料的殘余應力，使用中要控制介質中的有害成份。對處于開裂腐蝕環境中的壓力管道，要采用相應的檢測手段，使用中要定期檢查，這樣就可有效控制壓力管道開裂腐蝕。

參考文獻：

[1]王穎聰.濕法脫硫裝置的設備與管道的腐蝕及對策[J].電力建設，2003（10）.

[2]朱立波.基于ANSYS的鋼襯鋼筋混凝土壓力管道優化設計研究[D].太原理工大學，2010.

[3]王楷.基于事故樹分析的壓力管道風險評價方法研究[D].武漢理工大學，2009.