鋼制壓力容器局部腐蝕失效分析及防護措施

韓鵬飛　王正方　張 川

（1.山東理工大學機械工程學院　2.淄博職業學院機電工程學院）

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鋼制壓力容器局部腐蝕失效分析及防護措施

韓鵬飛*1王正方1，2張 川1

（1.山東理工大學機械工程學院2.淄博職業學院機電工程學院）

隨著現代生產的不斷發展，壓力容器作為一種特種設備已廣泛應用于石油、化工等行業。許多壓力容器長期處于某些特殊的生產環境 （腐蝕性介質、高溫高壓等），受到各種各樣的腐蝕，從而導致失效甚至發生生產事故。基于對鋼制壓力容器局部腐蝕失效原因的研究，提出故障樹分析與灰關聯分析相結合的分析方法，并根據具體的腐蝕形式提出相應的防護措施。

壓力容器腐蝕失效疲勞腐蝕故障樹分析防護措施

壓力容器廣泛應用于石油、化工、制藥等行業，多用于完成貯運(如儲罐)、換熱 （如換熱器）、反應 （如反應釜）和分離 （如分離器）等生產工藝，是石油化工類企業的主要生產設備。由于鋼制壓力容器設計和制造 （主要為焊接）的特殊性、工作環境的惡劣性 （腐蝕性介質等）以及安全運行、管理的困難性，造成的物理腐蝕、化學腐蝕等金屬腐蝕均會引起壓力容器的失效，甚至發生事故 （如腐蝕或有毒介質泄漏、爆炸等）。這不僅會給壓力容器的安全運行造成巨大影響，還會危害人身財產安全，直接或間接阻礙國民經濟的正常發展。

鋼制壓力容器的腐蝕是其金屬部件與周圍環境發生物理或化學反應而引起的破壞或變質。雖然目前已有大量的新材料應用于壓力容器，但大多數的壓力容器仍然主要由金屬材料制造 （碳鋼居多），所以其腐蝕仍以金屬腐蝕為主。按腐蝕破壞程度及位置的不同，可以將金屬材料的腐蝕分為全面腐蝕（又稱均勻腐蝕）和局部腐蝕兩大類。全面腐蝕是指腐蝕發生在整個金屬材料的表面，并且導致了金屬材料的全面減薄。全面腐蝕的發生易于監測和發現，并且控制措施較為簡單，往往可以根據具體工況選用合適的容器制造材料、緩蝕劑等來減少其發生，故對全面腐蝕問題本文不作具體介紹。局部腐蝕是指由腐蝕性介質和其他因素 （如應力、不合理結構等）綜合作用造成的、集中發生在局部區域的腐蝕形式[1]。與全面腐蝕相比，局部腐蝕造成的金屬材料的損失量雖然并不大，但其對鋼制壓力容器的危害性卻較嚴重，例如應力腐蝕會使容器的承載能力極度降低，點蝕能導致容器或管道穿孔直至報廢[2]。局部腐蝕造成的失效事故多為突發性事故，破壞時間不易預測，很難對其加以控制，因此在工程應用中因局部腐蝕而導致的壓力容器事故數量較多，且危害性較大。研究人員對多起失效事故做了大量的調查，結果表明：全面腐蝕引起的事故占20%，其余約80%由局部腐蝕造成。圖1是研究人員對美國部分工業部門不同腐蝕形態統計后繪制的餅狀圖。由圖1可以看出，局部腐蝕中應力腐蝕和腐蝕疲勞占的比例最大。

圖1　美國部分工業部門不同腐蝕形態所占比例統計

了解局部腐蝕的形成原因，有助于選用合適的分析方法，以便采取相應的防腐措施，從而提高壓力容器的安全運行性。本文簡要綜述了腐蝕疲勞和應力腐蝕的機理特點、影響因素，并提出了相應的控制措施，著重探討了對鋼制壓力容器腐蝕進行分析的多種方法。

1　機理特點、影響因素和防護措施

1.1腐蝕疲勞

1.1.1機理特點

金屬的腐蝕疲勞 （CF）是指在腐蝕環境和交變載荷協同作用下，金屬材料產生腐蝕-機械破壞且使用壽命縮短的失效形式。腐蝕疲勞的機理主要有下述幾種模型：點蝕應力集中模型、形變金屬優先溶解模型、表面膜破裂模型和吸附模型[3]。腐蝕疲勞的本質是電化學腐蝕和力學因素共同作用的復雜結果，而且這種作用遠遠超過腐蝕介質和交變應力單獨作用的結果。不難發現，在出現腐蝕疲勞的金屬構件的斷口上，既有腐蝕破壞的特征，又有疲勞破壞的特征，這是因為腐蝕疲勞斷裂是由物料的腐蝕作用和交變應力的疲勞作用共同導致的斷裂形式，但是腐蝕作用使得其斷口處的宏觀特征一般比較模糊，不便查看和分辨。

1.1.2影響因素

（1）加載頻率和應力比對腐蝕疲勞的影響。在一次循環周期內，腐蝕疲勞的程度隨著加載頻率的降低而加深，而應力比主要是影響近門檻區的腐蝕疲勞裂紋擴展速率。

（2）不同類型的平均應力的影響。壓縮平均應力在一定程度上對減輕腐蝕疲勞破壞具有促進作用，但拉伸平均應力卻會進一步加深腐蝕破壞的程度。

（3）超載作用的影響。當鋼制壓力容器承受的循環載荷出現超載時 （在一定的載荷范圍內），通常會引起腐蝕疲勞裂紋尖端的加工硬化，而殘余的壓應力能夠促進腐蝕疲勞裂紋的適當性閉合，由此能夠降低腐蝕疲勞裂紋的擴展速率。故一定范圍內的超載作用對減緩其裂紋擴展速率有積極的影響。

（4）介質流速的影響。一般來說，壓力容器內部介質的流速越快，越容易發生腐蝕。

（5）腐蝕環境的影響。腐蝕疲勞的產生對引起其發生的腐蝕環境并沒有特殊的要求，也就是說，它的發生并不需要特定的材料與介質的組合。所以對于腐蝕疲勞易發生的場合要格外注意對所處環境的合理控制。一般來說，物料的腐蝕性越強，腐蝕疲勞產生的程度就越嚴重，但如果介質的腐蝕性太強，反而會減緩腐蝕疲勞的發生。

（6）環境溫度的影響。一般情況下，工作環境溫度越高，越容易發生腐蝕疲勞。

（7）金屬的組成成分、組織結構等材料因素對腐蝕疲勞的產生也存在一定的影響，目前對該影響因素的規律性研究還有待于進一步完善。

1.1.3防護措施

壓力容器在正常的運行中，所承受的交變載荷和接觸的物料往往是完成某些生產工藝特定的要求，不能夠輕易將其改變。為了避免和減緩腐蝕疲勞的發生，可采取下列措施。

（1）合理選材。解決腐蝕疲勞的主要措施是選擇耐蝕性更好的材料，如石油、化工設備可以優先選用含Cr、Ni元素高的雙相不銹鋼，它具有較好的耐局部腐蝕的性能，同時它有較高的機械強度，能夠顯著提高鋼的腐蝕疲勞強度。另外不宜使用高強鋼，因為它對裂紋的條件較敏感且易產生裂源，以至于在腐蝕性介質中很容易誘發腐蝕疲勞裂紋，增加腐蝕疲勞產生的幾率。

（2）采用表面保護鍍層（襯里）。根據工業應用中不同的介質條件，大多是在壓力容器表面選襯各種非金屬材料，其中應用最廣泛的是在碳鋼設備內表面選襯橡膠、搪玻璃及搪瓷等。對于溫度、壓力要求高的場合，可以選襯耐腐蝕的金屬 （不銹鋼、鈦、銅等）。例如在有著 “搪玻璃之鄉”美稱的山東省淄博市張店區傅家鎮境內，有多家以生產搪玻璃化工設備為特色的化工設備廠，在化工設備 （多為碳鋼制，如 Q235B）的內表面通過搪防腐蝕層——玻璃來隔絕介質接觸，從而達到良好的防腐效果。

（3）添加緩蝕劑。緩蝕劑是指在腐蝕性介質中加入少量能降低甚至完全抑制金屬腐蝕速度的低濃度物質。該方法由于施行簡便且經濟效果較好，目前在多個工業部門有所應用，如化工、石油化工、制藥等行業，并取得了較好的社會效益。緩蝕劑的保護效果由金屬材料和腐蝕環境共同決定，并且不同類型的緩蝕劑有著各自的適用范圍，使用中只有正確選擇、適量使用才能起到較好的防腐效果，否則無效甚至會加速金屬的腐蝕。有一點要格外注意，如果在強酸中加入緩蝕劑，由于被保護金屬此時仍然有較大的腐蝕速度，所以此情況下一般只用于除銹、去垢等短時間的酸洗場合，不宜長期使用。

（4）電化學保護。該方法是根據電化學腐蝕原理對鋼制壓力容器進行保護的，雖然有著一定的局限性，但在一定條件下只要使用得當就能取得較好的保護效果。

（5）對鋼制壓力容器表面進行噴丸或滾壓等強化處理。

（6）在設計時適當優化壓力容器的結構，運行時降低交變載荷和局部應力，也是防止腐蝕疲勞斷裂的重要方法。

1.2應力腐蝕

1.2.1機理特點

金屬構件在拉應力和特定的腐蝕性介質 （特定組合的材料/介質）共同作用下，發生的腐蝕破壞并斷裂的失效形式叫應力腐蝕斷裂 （SCC），它是承壓類鋼制設備的腐蝕中最常見也是危害最大的腐蝕形式之一。雖然影響應力腐蝕的因素有很多，且目前對斷裂機理的解釋還沒有得到學術界的統一，但部分文獻認為，應力腐蝕的擴展過程可分為陽極溶解型和氫致開裂型。左景伊教授提出的產生應力腐蝕的機理為裂紋的形核和擴展，可分為三個階段：（1）金屬表面產生表面膜；（2）膜局部破裂，產生孔蝕或裂紋源；（3）裂紋內加速腐蝕，在應力作用下，裂紋以垂直方向深入金屬內部[4]。應力腐蝕的發生是有條件的，首先引起應力腐蝕的應力必須是拉應力，但應力大小不受限制，極小的應力也可能導致應力腐蝕破壞；其次純金屬不發生應力腐蝕，但幾乎所有的合金在特定的腐蝕環境中都會產生應力腐蝕裂紋；再次產生應力腐蝕的材料和腐蝕性介質之間存在選擇性的匹配關系，即當二者是某種特定組合時才會發生應力腐蝕。

1.2.2影響因素

主要是環境因素、力學因素和冶金因素，并且各個因素之間不是獨立的，而是相互聯系、相互影響的，因此在分析應力腐蝕現象時，應全面考慮。

（1）溫度。發生應力腐蝕開裂的溫度是有一定范圍的。通常，溫度越高，越容易發生腐蝕開裂。

（2）介質的種類。酸、堿、鹽溶液以及含某些特殊離子的溶液對應力腐蝕的影響都很大，有時候這些介質的微小變化就可能會引起應力腐蝕。

（3）介質濃度。能引起壓力容器應力腐蝕的介質濃度越高，也越容易引起應力腐蝕開裂，并且存在一個臨界值。

（4）應力狀態。拉應力的大小和方向直接影響到應力腐蝕裂紋源的萌生和裂紋的擴展速度。

（5）金屬組成成分。金屬中的雜質元素 （C、N、Mn等）對應力腐蝕開裂的敏感性有較大的影響，容易誘發應力腐蝕。

1.2.3防護措施

（1）在設計和制造壓力容器時，首先，應盡量使應力的分布均勻化，從而避免局部應力集中，如設計時盡量避免出現縫隙和可能造成腐蝕液殘留或富集的死角；其次，盡量避免選用對目標接觸介質敏感的材料，如不用奧氏體不銹鋼制造介質為海水及氯化物的壓力容器；再次，在制造過程中鋼制壓力容器應在焊前進行預熱 （特別是焊縫處），焊縫結構應選用全焊透結構，換熱器管與管板的連接盡量采用脹焊并用結構，焊后進行消除殘余應力的熱處理。

（2）使用過程中注意防潮，專人定期對壓力容器進行安全檢查并及時維修。

（3）降低環境介質的腐蝕性。如為了降低環境中硫化氫的含量，可采用新的脫硫、脫水等先進工藝技術，來延緩相應壓力容器的腐蝕。

（4）采用涂層、鍍層或襯里，添加緩蝕劑，進行電化學保護等。

2　分析方法

2.1基本分析方法

2.1.1試樣制備

（1）取樣原則。所確定的取樣位置應當具有代表性和普遍性。優先選取那些可能是腐蝕裂紋源的部位及其周邊的部位，并對該位置做好標記，以便分析；同時盡量避免破壞樣品現場，并對其采取嚴格的保護措施[5]。

（2）取樣技巧。用最簡單、最正確的方法在遵守取樣法則的前提下進行采樣。需要注意的是：首先，不應破壞試樣殘骸的斷口表面，特別是不能損害斷口的形貌和影響所取試樣原來的組織形態；其次，在用機加工方法取樣時，要及時清理斷口周圍，避免由于冷卻液或潤滑油等其它雜質污染試樣斷口表面；再次，盡量避免使用火焰切割等熱影響區較大的切割方法，不得不使用火焰切割或等離子切割等方法時，一定要盡可能地避免過熱操作并且請專業操作人員進行操作，對切口進行必要的清理，以防試樣組織和腐蝕產物的內部結構發生變化，影響后續的觀察、分析。

（3）斷口清洗。在對斷口的腐蝕產物分析時，可直接進行分析，不需要清洗過程；對需要進行斷口形貌觀察的試樣，要根據不同工況下試樣斷口的具體情況采用不同的清洗方法對斷口進行較為仔細的清洗。

（4）編號記錄。將清洗后的樣本擦干，并根據其原來位置、腐蝕程度等條件進行編號，以便于后續的分析處理。

以上的步驟都是為后續的分析工作提供必要的保障，所以這些步驟的合理進行直接影響到整個分析工作的可靠性和準確性，必須按照相關文獻完成整個試樣制備過程。

2.1.2宏觀觀察及分析

宏觀觀察方法比較簡便快捷，它能提供樣品件的直觀印象和資料，因此必須予以重視并做好相關的記錄。宏觀觀察通常指肉眼觀察或利用放大鏡等簡單工具觀察，也包括用各種專業測量工具對被腐蝕破壞部位的尺寸 （裂紋的長度和寬度、腐蝕坑深度等）進行測量，據此可初步估計出腐蝕量或腐蝕類型。

2.1.3化學分析

光譜分析法 （spectrum analysis）指利用特征光譜來研究物質的結構和分析其化學組成成分的分析方法。在對鋼制壓力容器的腐蝕分析中，主要用它來完成試樣及容器材料成分的分析及查驗、對產生腐蝕破壞的環境介質進行化學組成的分析以及對腐蝕產物的成分的分析等工作。

2.1.4力學性能試驗法

在金屬的腐蝕失效分析中，為了檢驗所用材料質量是否合格以及在設備的運行過程中力學性能是否發生了變化，通常要進行硬度測定、拉伸試驗、沖擊試驗和斷裂試驗等力學試驗，在某些情況下也需要進行一些其他的力學試驗，如疲勞試驗、彎曲試驗等。

2.1.5無損檢測

主要包括射線檢測 （RT）、磁粉檢測 （MT）和滲透檢測 （PT）以及超聲波探傷（UT）等。在壓力容器局部腐蝕失效分析中應根據具體情況和需要，選用合適的無損檢測方法。

2.1.6斷口分析和光學顯微分析技術

斷口是指金屬構件破斷后斷裂面的形貌，對它的保護、研究是失效分析工作中的重中之重。斷口的形貌較為真實地記載了材料或部件的斷裂過程，通過它能對腐蝕裂紋的萌生、擴展以及容器斷裂的過程做出較為準確的判斷。因此，斷口分析在鋼制壓力容器的腐蝕失效分析中起著重要的作用。斷口分析可分為宏觀斷口分析和微觀斷口分析。宏觀斷口分析是一種比較古老但較為簡單實用的分析方法，研究人員通過肉眼觀察或利用放大鏡等簡單工具，經過分析斷口的宏觀特征如質地色澤、粗糙度、宏觀形態及裂紋等情況來確定裂紋源的位置、裂紋擴展方向以及可能造成腐蝕的環境條件，將這些掌握的宏觀特征與相關科技文獻中的已有資料進行對照，從而初步判斷出可能導致腐蝕失效的原因和類型。隨著電子學、光學等技術的高速發展，微觀斷口分析法應運而生，該方法是利用光學顯微鏡(OM)、透視電鏡 (TEM)和掃描電鏡 (SEM）等顯微分析技術來觀察、研究斷口的微觀形態特征，進一步判斷腐蝕破壞的形成機理和影響因素[6]。斷口分析既可以進行定性分析，也可以進行定量分析，在對金屬腐蝕分析中往往運用定性分析，必要時可進行定量分析。宏觀和微觀分析二者既相輔相成又互為補充，對失效的整個過程盡可能地提供出全面而準確的信息，從而使分析人員對鋼制壓力容器的腐蝕破裂有更加深入的發現。

2.1.7模式識別優化技術

隨著模式識別技術在工業中的廣泛應用，它與其它失效分析方法的結合也漸漸應用到了失效分析中。模式識別優化技術能夠從眾多的信息中將有用信息采集出來，特別適用于像腐蝕這樣的多因素的失效分析，確定產生腐蝕的主要原因。模式識別與斷口分析、化學成分分析、無損檢測等方法的結合，將會大大提高失效分析的準確性。但模式識別技術在失效分析上的應用還存在一定的局限性和未解決的難題，它的推廣仍需要研究人員的進一步研究。

2.1.8痕跡分析

痕跡分析作為一種最早應用在刑偵上后來被廣泛應用的技術，目前已應用在機械設備的失效分析中。在金屬的腐蝕失效分析中，痕跡分析技術比斷口分析等方法的運用頻率更高。斷口往往能夠記錄下腐蝕斷裂的整個或大部分過程，但痕跡缺乏連續性 （反復重疊、易失真等），所以痕跡分析往往需要結合斷口分析、理化分析等其他方法使用，這樣才能夠為鋼制壓力容器的腐蝕失效分析工作提供直接或間接的幫助。

2.2故障樹與灰關聯分析法

造成壓力容器局部腐蝕失效的原因具有復雜性和不確定性，因此在基本分析方法的基礎上，結合使用故障樹分析法和灰關聯分析法，能夠減少事故分析的時間和成本。綜合目前的事故分析方法，更為高效的分析方法及分析軟件還有待于工程研究人員的共同探索。

2.2.1故障樹分析

故障樹分析又稱為失效樹分析，簡稱 FTA（fault tree analysis）。故障樹分析(FTA)采用具有因果關系的邏輯樹狀圖 （故障樹）方法進行故障或事故原因的分析工作，其特點是直觀形象，思路清晰，邏輯性強，可以用來確定金屬腐蝕失效原因的各種組合方式或發生概率[7]。該方法實現了定性分析和定量計算的有機結合，使得失效分析更加具有可靠性、安全性和經濟性。目前，故障樹分析法雖還處在不斷完善的發展階段，但其應用范圍正在不斷擴大，是一種很有應用前景的故障分析法。目前可以進行 FTA的計算機軟件有 Xmind、Blocksim、FreeFta等，利用這些軟件能夠更加高效、準確、直觀地完成對具體事故的故障樹分析。

2.2.2灰關聯分析

灰色關聯 （簡稱灰關聯）是指事物之間的不確定關聯性，或系統因子之間、因子對主行為之間的不確定關聯性[8－9]。灰關聯分析法實質上是一種多因素的統計分析法。它以各因素的樣本數據為依據，用灰色關聯度來描述因素間關系的強弱、大小和次序，主要是分析各個組成因素與整體的關聯性大小。由于造成壓力容器腐蝕失效原因的多樣性及分析的復雜性，在繪制完故障樹之后，利用灰色關聯法對各個原因要素進行分析，從而得出它們之間的主要關系并確定出最大影響因素，把握發生腐蝕失效或事故的主要原因。這樣將更加有助于工程技術人員采取相應的補救措施，延長壓力容器的使用壽命。自從鄧聚龍教授于1982年提出以來，灰色系統理論憑借著能夠對特殊情況 （實驗數據少、存在不確定性）進行有效分析的優勢而迅速發展。但目前可用于高效地進行灰關聯分析的計算機軟件還不夠成熟，且存在一定局限性，還有待于相關研究人員、學者對其進一步完善。

隨著科學技術的發展，大型中高壓承壓設備得到了廣泛應用。但是部分特殊行業特別是化工、石油等行業，由于承壓設備工作環境的特殊性，導致設備腐蝕失效經常發生，甚至造成嚴重事故。因此如果利用故障樹進行失效分析，并結合灰色系統理論中的灰關聯來分析，將能達到更好的分析效果。

3　結論與展望

（1）對鋼制壓力容器在工作環境下發生局部腐蝕 （主要是腐蝕疲勞和應力腐蝕）的原因以及影響因素進行了較為全面的闡述，并針對各種腐蝕提出了相應的防腐措施。在實際應用中根據壓力容器的具體工作環境包括介質特性、溫度、壓力等，通過選用最合適的防腐措施對其進行必要的保護，以減緩其腐蝕速度，確保壓力容器的安全、高效運行。

（2）提出在失效分析的基本方法的基礎上，通過故障樹分析法和灰色關聯分析法的結合使用，能夠更加準確、高效地完成對壓力容器腐蝕失效及事故原因的分析，并確定出發生腐蝕的主要原因，為壓力容器的設計、制造、運行及管理提供更為準確的依據，以作為相關工程人員有益的參考。

（3）今后的失效分析工作中，必要場合可綜合運用模式識別優化技術以及痕跡分析等先進的分析方法，目前這些技術在失效分析中的應用仍需要研究人員和工程人員的共同探討。

（4）在計算機技術高度發展的今天，通過合理的運用計算機數值模擬與科學研究試驗相結合的新方法，來進行壓力容器的腐蝕失效分析有著重要的意義，需要科研工作者的進一步研究。

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Analysis of Local Corrosion Failure of Steel Pressure Vessel and Its Protective Measures

Han PengfeiWang ZhengfangZhang Chuan

Along with the development of the modern production,the pressure vessels as a type of special equipment are widely used in the petroleum,chemical industry and etc.However,some pressure vessels are applied in the extreme environment,suffering from the corrosion,which leads to the failure even the production accident. Therefore,based on the cause analysis of the local corrosion failure of the steel pressure vessel,the fault tree analysis and the grey relational analysis are combined and the protective measures are proposed according to the specific corrosion failures.

Pressure vessel；Corrosion failure；Fatigue corrosion；Fault tree analysis；Protective measures

化機制造

TQ 050.9DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.06.0010

2015－10－14）

*韓鵬飛，男，1992年生，碩士研究生。淄博市，255000。