壓力容器在設計制造過程中應力腐蝕開裂的規避分析

摘 要：在分析壓力容器設計制造過程中應力腐蝕開裂現象規避問題時，必須對應力腐蝕開裂現象的有關內容進行深入探討。本文圍繞應力腐蝕開裂的特點、影響因素及裂紋的主要形態進行了介紹，提出避免應力集中在壓力容器的同一位置、重視對殘余應力的處理工作等規避應力腐蝕開裂現象的有效方式，以供參考。

關鍵詞：壓力容器;制造過程;應力腐蝕開裂現象;同一位置

壓力容器是指盛裝氣體或液體，能夠承載一定壓力的密閉設備。一般來說，壓力容器的制造工序可以分為原材料驗收、切割、除銹、機加工（包含刨邊等）、焊接、無損、熱處理、防腐等工序。其中，由于應力處理不當而引發的壓力容器腐蝕開裂現象必須予以重視，否則將會給后續使用帶來不便甚至引發重大事故。

1.壓力容器在設計制造過程中應力腐蝕開裂的特性及產生原因

1.1應力腐蝕開裂現象的特性分析

應力腐蝕現象是指在拉應力的作用下，金屬在腐蝕介質中引發的破壞。此種腐蝕通常穿過晶粒，即所謂穿晶腐蝕。應力腐蝕由殘余或外加應力導致的應變和腐蝕聯合作用產生的材料破壞過程。應力腐蝕導致材料的斷裂稱為應力腐蝕斷裂。一般來說，壓力容器設計制造過程中，應力腐蝕開裂現象的特性如下：

第一，相對于單一金屬材質，合金材料容器更容易在拉應力的作用下產生腐蝕現象;

第二，拉應力并不是固定的，設計時還需考慮參與應力、外部施加的應力等;

第三，應力腐蝕環境相對固定，故進行處理時可以充分運用此項原理;

第四，應力腐蝕開裂現象一旦出現，壓力容器呈現出的主要特點為“脆性”，即容器的性能將會大受影響;

第五，應力腐蝕開裂現象必須在外部溫度達到一定高度之后才會產生;

第六，常見的應力腐蝕開裂現象分為“裂紋”和“成核”兩種，根據周邊環境、施加應力的大小，應力腐蝕開裂過程的持續時間從幾分鐘到幾年均有可能。

第七，應力腐蝕開裂現象產生的裂紋普遍為沿晶或穿晶形態。通常情況下，如果壓力容器使用的合金材料屬于同一類別，則裂紋的形式、形態基本一致[1]。

1.2引發應力腐蝕開裂的主要原因

引發壓力容器應力腐蝕開裂的主要原因如下：

第一，應力腐蝕拉應力。此處的拉應力并非單一、壓力容器設計制造必備的拉應力，而是指工程應力、殘余應力、裝配應力三者疊加之下產生的綜合性應力。總體來說，如果設計制造過程中殘余應力無法得到有效控制，僅靠此種應力即會引發腐蝕開裂現象。

第二，壓力容器設計制造的過程中出現應力腐蝕現象的必要條件在于：出現了應力集中源（一般是指表面的裂紋、裂紋缺陷等）。當殘余應力或其他腐蝕介質作用于應力集中源時，裂紋必然由小變大，最終開裂。

第三，腐蝕劑濃度配比出現問題，沒有注重溫度控制、金屬純度不足等均會導致應力腐蝕開裂。

2.壓力容器在設計制造過程中應力腐蝕開裂的有效規避方式

2.1避免應力集中出現在同一位置

如上文所述，如果應力過于集中，壓力容器表面某處將會因為無法承受而出現裂紋，進而形成開裂。然而殘余應力在壓力容器設計制造過程中極為常見，無論是焊接、扭轉，還是沖壓、過載螺紋連接等過程中，均會產生殘余應力。不僅如此，如果設計制造過程中的溫度提升速度無法得到良好控制，在“驟然”變化的過程中，也會生產殘余應力。基于此，可以從以下方面著手，盡量避免出現應力過于集中的情況：

首先，焊接、螺栓連接等作業環節極易產生縫隙，由此導致應力無法“均勻”作用于壓力容器表面，故而按照嚴格的操作、檢查標準執行有關作業，消除裂縫，能夠起到一定的作用。

其次，壓力容器表面容易受到腐蝕而形成“小坑”。當殘余應力等“流經”時，容易在此類區域集中，進而在雙重壓力的作用下，產生裂紋，并縱向延伸，導致開裂。因此，必須防備壓力容器表面單一點位遭受腐蝕。

再次，與單一點位遭受腐蝕而形成“小坑”相類似，如果單一點位受到應力的集中“擠壓”，也會使該位置出現破損，進而生成應力集中源，最終導致開裂。故而在設計制造時（特別是安裝過程），應該避免裝配應力對壓力容器表面造成破壞，需要“輕拿輕放”。

最后，一些大型壓力容器的某些部位（如接合部位等）震動頻率較高，如果連接的穩固程度不足，也可能造成容器表面出現應力集中源。針對此種情況，接合部位需要采用相對穩固的連接方式（相比之下，鉚接方式的穩固性較差，故而在設計制造過程中應該盡量避免采用此種方式）。此外，一些鍛件的斷面（橫截面）必須受到嚴密保護，不可使其直接暴露在環境中。進行模鍛件制造安裝時，需要注意流線保護，同樣避免暴露[2]。

2.2重視對殘余應力的處理工作

殘余應力是造成壓力容器應力腐蝕開裂現象的主因且很容易產生，故而從源頭出發，重視對殘余應力的處理工作，及時調整或將之完全消除，哪怕壓力容器表面出現了應力集中源，也不會導致較為嚴重的后果。目前，常見的處理方式如下：第一，采用熱處理方式，能夠直接消除殘余應力。前文提到，壓力容器的制造材質多為金屬材料，可以將設備或是需要用到的零部件放置于高溫環境下，持續時長可以是幾天，也可以是幾個小時;之后進行緩慢冷卻。在此過程中，殘余應力將會消失殆盡。需要注意的是，金屬材料也會受到溫度的影響，如果未能注意，金屬的性能將會受到影響（如軟化等）。因此，處理過程必須嚴謹，避免顧此失彼。第二，在壓力容器或零部件的表面，通過振動、噴丸等方式，使殘余應力逐漸降低。此種處理過程還可以將殘余的“拉應力”轉變為殘余的“壓應力”，目的在于提升材料抵抗應力腐蝕的能力，進而從另一個角度解決應力腐蝕開裂問題。

3.結語

壓力容器及一些零部件遭受應力時，很容易出現開裂現象。如果投入應用后，因為應力腐蝕原因導致存有危險品的壓力容器損壞，很可能引發危險品泄漏甚至爆炸等重大安全事故。因此，壓力容器設計制造過程中，設計人員和制造單位必須時刻小心謹慎、高度負責，嚴格執行每項程序，避免開裂現象。

參考文獻：

[1]董蓓蓓.壓力容器制造與維修中常見問題的解決對策[J].化工管理，2020（15）：134-135.

[2]趙子亮.壓力容器設計存在的問題及解決措施[J].化工管理，2020（10）：194-195.

作者簡介：

劉文麗（1982—），女，漢族，天津，中級，本科，主要研究壓力容器方向。