石油化工靜設備應力腐蝕開裂成因與防護

鐘鋒(九江檢安石化工程有限公司，江西 九江 332004)

0 引言

石油化工產業作為我國經濟發展的支柱產業，在生產過程中常會涉及到具有腐蝕性的介質，因此各種設備將會產生一定的腐蝕現象。其中，最為嚴重的腐蝕現象之一就是基于應力存在的腐蝕，其占據我國石油化工設備總腐蝕問題數量的50%。平均每年基于應力腐蝕下造成的成本損失嚴重，因此需要積極加強應力腐蝕問題的重視程度，采取相應的解決措施實施必要的防護，進而促使石油化工產業始終以較好的經濟效益促進社會總經濟水平的發展。

1 應力腐蝕開裂概述

應力腐蝕一般情況下是指在石油化工生產當中應用到的靜設備，受到外界的拉伸應力變化影響或是特定介質腐蝕等，促使設備當中的合金部分由于不穩定的金屬結構遭受腐蝕破壞從而出現脆斷現象。結合實際當中發生應力腐蝕的靜設備實際應用狀況，發生應力腐蝕變化之后，其中的金屬以及合金等受到腐蝕介質的影響，難以形成電子保護作用，促使設備整體的強度受損，嚴重影響到其實際的應用性能。如若靜設備的金屬受到的應力為拉應力，則促使其金屬的屈服強度也隨之降低，進而促使靜設備難以保持原有的屈服強度，在出現任何環境變化因素影響時將會呈現出相對更加嚴重的破壞。且這樣的破壞無預兆，無明顯的預先變形問題[1]。并且由于在石油化工應用當中的靜設備出現應力腐蝕問題后出現的開裂現象大多數為脆性斷裂問題，因此開裂現象延續之后將會出現明顯的晶界分支擴展裂紋以及晶粒擴展裂紋。石油化工作業環境當中的靜設備由于其主要的構成部分就是金屬與合金，并且在運轉過程當中基于高溫高壓環境以及運轉中產生的強應力拉伸等，都將會促使靜設備發生應力腐蝕開裂現象。

2 石油化工靜設備應力腐蝕開裂的原因

2.1 拉應力

由于石油化工生產作業環境的特殊性以及復雜性，各種靜設備將會出現不同程度影響的應力腐蝕問題。其中，造成這樣的現象最為直接的影響因素之一就是由于拉應力的存在，進而對靜設備造成程度不一的損壞，影響其實際的應用效果。在石油化工作業當中的靜設備受到拉應力影響的方式多種多樣，其中最為明顯的就是基于在化工設備生產制作工作當中所形成的殘余應力問題。這樣的應力主要是在設備的生產制造中機械加工設備的應用，從而造成的附帶應力。而另一種應力影響方式主要是設備加工完成后，正式投入到使用當中所形成的工作應力的影響，促使靜設備受到拉扯從而影響其結構硬度，出現腐蝕現象。基于靜設備在石油化工作業環境當中的運轉或是基于外界眾多應力影響因素等，所形成的明顯殘余應力將會促使設備在長久磨損之下形成腐蝕問題，最終對其安全應用效果造成嚴重的影響。一般情況，在石油化工靜設備應力腐蝕問題中80%的占比是由于殘余應力損壞所造成的；而剩余的20%則是因加工過程中以及各種外界因素的影響，促使靜設備出現應力腐蝕開裂現象。嚴重應力腐蝕開裂問題將會對靜設備的使用造成嚴重安全影響，因此需要高度重視這一問題的產生以及進行有效防護。

2.2 腐蝕環境

石油化工產業中設備所涉及到的生產環境多會儲存眾多的腐蝕性介質，因此在實際的應用過程當中將會造成嚴重的腐蝕問題。在特殊的工作生產環境中，靜設備在特定介質的長久侵蝕下會出現受外力因素影響的腐蝕狀態。靜設備的工作環境需要承載高溫高壓狀態下的介質，過高的工作溫度，為應力腐蝕變化提供充分的機會，促使其出現明顯的腐蝕開裂現象。且眾多諸如NH+、Cl-以及酸性介質等具有一定的腐蝕性，都會對靜設備的應用造成腐蝕，從而形成嚴重的開裂現象。

2.3 特定金屬與合金成分

靜設備的應用往往需要處于相對較為復雜的環境當中，因此對靜設備的使用制作等提出了相對較高的要求，所應用到的材料具有相對較高的標準。其中，最為常見應用到的材料就是不銹鋼以及低合金鋼[2]，同時也會應用到碳素鋼、低溫常用合金鋼等。大多數的石油化工產業壓力容器專用鋼為碳素鋼以及低合金鋼。基于基礎性質上的差異，低合金鋼與一般的結構鋼相比較，含有少量的合金元素，從而起到優化結構性能的作用，起到一定的抗腐蝕效果。但是如若在靜設備的實際制造過程中難以應用到符合工藝標準的制作方式，或是在制作過程當中難以添加相應的防腐蝕材料等，都將會促使靜設備在石油化工生產過程當中造成嚴重的應力腐蝕問題。

3 石油化工靜設備應力腐蝕開裂防護措施

3.1 優化材料結構

雖然在石油化工生產的過程當中，靜設備出現應力腐蝕開裂的現象較為常見，但是這一問題同樣可以應用到相對應的辦法實施預防解決，并不是所有應用到石油化工生產當中的靜設備都會出現嚴重的應力腐蝕開裂現象，其中主要是與靜設備的結構材料具有直接關系。如若靜設備實際應用到的材料具有相對較高的穩定性與質量保障等，則能夠降低應力腐蝕開裂發生的概率，從而實現良好的質量保障，有效延長靜設備的使用時間。

因此在設計制作靜設備時，就需要選擇更加合理的結構材料，以規避應力腐蝕開裂現象的發生，材料的選擇需要盡可能地避免應用到具有易誘導開裂的材料。尤其是針對靜設備應用過程當中的關鍵性結構部位，需要盡可能地選擇具有較高穩定性，且應用過程中不會出現腐蝕開裂的材料。而其他的結構位置則可以應用到價格相對較為低廉的材料，進而在保障靜設備良好應用效果的同時，也能夠避免制作成本過高，同時也能夠形成相對便捷的維護工作效果。

例如，在實際的石油化工生產作業環境中，如氯離子的實際含量相對較高，則不適用奧氏體不銹鋼結構，需要應用其他的材料進行替換，保障設備結構呈現出高度的合理性，避免設備短時間更換造成的成本增加問題。與此同時，面對靜設備極易出現的應力腐蝕開裂現象，做好防護處理工作，需要保障其結構呈現出較高的合理性狀態，全面優化結構設計，促使靜設備的應用從源頭保障質量。優化設計結構，促使靜設備承擔較弱的拉應力，避免拉應力過于集中，存積相應的腐蝕物質效果，減緩設備承受的腐蝕問題，從而形成相對較好的防護作用。

3.2 解決腐蝕問題

做好應力腐蝕開裂問題的有效解決，才能夠避免開裂現象延伸對靜設備結構造成嚴重的影響。首先需要做好靜設備的清潔處理，避免殘留的腐蝕介質在風化作用下造成的濃縮現象，并且應用高壓沖水的方式對靜設備的罐體內壁實施清理，全面清除雜物，避免介質腐蝕[3]。其次，需要盡可能地促使靜設備始終處于相對較為干燥的環境當中。這是由于在罐體內若存在著較多的水分，則會導致靜設備當中的其他腐蝕物質出現較為明顯的電化學作用，進一步增加了靜設備的應力腐蝕強度。因此在靜設備的運輸環節中，需要盡可能地促使罐體呈現出較高的整潔效果，降低雜質存量，規避應力腐蝕。

對于容易出現應力腐蝕開裂的管道，緩解其工作環境當中的腐蝕介質濃度是最有效的防護措施。如果管道的實際工作環境存在著大量的氯離子，伴隨其他的酸性離子，則可以通過酸堿綜合的作用降低其中的酸性離子實際含量，進而避免酸化腐蝕問題產生。靜設備的不同材料結構其實際的抗腐蝕程度也大有不同，處于130 ℃環境下的316 L不銹鋼受到應力腐蝕開裂的氯離子含量為10%，而氯離子含量為5%時則會促使2205雙相鋼出現應力腐蝕開裂。因此在實際當中為了降低腐蝕程度，需要應用到相應的脫氧劑來避免管道出現嚴重的腐蝕問題。且金屬的應力腐蝕問題則主要是基于電化學反應所產生的，氧氣濃度越高，則相應的會產生更加明顯的應力腐蝕問題。基于這一現象，可以應用脫氧劑降低靜設備工作環境當中的氧氣含量，或是在靜設備表面涂抹油漆，以達到隔絕空氣的作用。

3.3 控制殘余應力

結合實踐研究發現，在石油化工產業當中應用到的靜設備出現嚴重的應力腐蝕開裂現象，最主要的原因就是在于在加工過程中所形成的殘余應力對其造成的拉伸，促使其出現開裂現象。因此對這樣的問題實施必要的防護處理，需要注重在加工過程中的應力控制，在靜設備應用到生產后，需要采取相應的措施控制殘余應力，有效避免靜設備基于應力腐蝕問題出現開裂，從而有效提升設備的使用壽命與質量。結合石油化工生產加工當中的全過程進行研究分析來看，實際中最容易出現殘余應力的環節就是設備的零部件的組裝與焊接。在組裝零部件時，若由于相關操作人員缺乏專業的技術水平，難以按照嚴格的操作規定實施零部件的拆裝，在實施過程中的工藝質量無法達到既定的要求，操作人員強制拆卸的方式，將會造成零部件的損傷以及拉應力的產生。或是在零部件的組裝過程當中，由于尺寸鏈以及公差鏈等出現問題，即使完成了整體的組裝，但是各個零件的實際尺寸難以達到既定的要求，造成嚴重的殘余應力問題。由于零部件在加工作過程中不能夠及時的消除應力變化，最終將會促使靜設備出現較為嚴重的應力腐蝕開裂現象。

同時，殘余應力也可能會在零部件的焊接過程當中出現。常見的殘余應力形成原因就是隨意焊接，無法按照嚴格的焊接施工標準執行工作，難以有效消除處理焊接工件的最終應力，這些應力集中在靜設備的某一局部區域，導致出現應力腐蝕問題。在石油化工生產當中，大型工件的焊接方向若與設計中的不一致，同時也會造成后續出現的應力無法排除的問題，多人合作的工作模式下，不能夠及時協調工件焊接的各個環節，導致最終出現嚴重的應力腐蝕開裂現象。殘余應力過大，促使靜設備受損，降低使用效果，縮短使用時限，因此則需要應用相應的辦法及時排除應力。

在實施焊接與組裝時，對工件實施熱處理，例如：正火、退火等加工方式，進一步強化設備金屬材料所具有的延展性，達到排除應力的作用；科學調試機械設備，促使既定的拉伸部位先行排除拉應力，進而避免在后續的應用當中出現應力腐蝕的現象。各種零部件的加工過程中應用到水壓試驗、噴丸、震動以及溫差拉伸等方式，都能夠對應力起到一定的排出作用。同時，在施工過程當中也需要遵照施工準則實施嚴格監管，保障施工人員具有較高的責任意識，保障全面遵循既定工作原則，盡量避免殘余應力的產生。

3.4 加強日常養護

為避免石油化工生產當中應用到的靜設備基于應力腐蝕出現開裂現象，需要及時的日常養護，從而起到一定的防護作用。首先需要相關人員及時對設備的運轉狀態進行監測，并對比其非運轉時的工作狀態，確保第一時間發現問題并實施必要的處理。全面監測設備各項指標，尤其是工作環境壓力、溫度等容易造成應力腐蝕開裂現象的因素等，都需要及時地進行監測控制。降低危險因素，從而保障靜設備能夠在正常工作環境下相應延長使用時間。定期針對重點裝置實施全面檢查，一旦發現問題由專業人士及時跟進處理，避免靜設備長期處于不正常運行狀態出現質量問題。

4 結語

靜設備在石油化工生產當中作用十分關鍵，因此需要注重防護應力腐蝕作用下造成的開裂問題，保障合理的材料結構設計，排除殘余應力影響，及時解決既有的應力腐蝕問題，并做好后續養護處理，才能夠延長靜設備使用壽命，更好地保障企業生產效益。