壓力容器中一種易縫隙腐蝕的連接結構

柳 杰

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院太倉分院，江蘇太倉 215400）

0 引言

縫隙腐蝕是一種常見的局部腐蝕形式，常發生于壓力容器的連接部位，如法蘭連接、螺栓連接、密封墊片處，部分焊接結構處，金屬貼合部位等。縫隙腐蝕會對材料造成破壞，使連接結構發生泄漏失效、強度失效。有文獻提到在乙炔生產系統中高壓干燥器外筒體支撐結構貼合處發生縫隙腐蝕[1]，會導致筒體強度不足或支撐失效。縫隙腐蝕的發生部位較為隱蔽，在腐蝕擴展到縫隙外之前，縫隙外觀變化不明顯，發生過程不易發覺，因此在生產制造中應該充分重視縫隙腐蝕發生的可能，從源頭避免縫隙腐蝕的發生。

1 腐蝕機理

縫隙腐蝕的發生有縫隙和介質兩個必備條件，縫隙提供閉塞區，介質提供離子存在的場所。一般將縫隙腐蝕劃分為孕育、開始、增殖3個階段[2]。關于縫隙腐蝕的機理有兩種理論，一種是氧濃差電池理論，一種是IR（電流-電阻）降理論[3]。

1.1 縫隙腐蝕過程

舉例溶解有氧的海水[4～5]中，縫隙腐蝕狀態：初期孕育階段縫隙內部金屬表面上陽極溶解M→M++e；陰極還原O2+2H2O+4e→4OH-；縫隙內的氧被不斷消耗。

1.2 氧濃差電池理論

按照氧濃差電池理論：反應發生一段時間后，縫隙內氧減少，氧化還原反應減弱；縫隙內金屬M 繼續溶解，M+增多；隨著正電荷增加，為保持電荷平衡，陰極離子往縫內運動；陰極離子導致縫隙內介質的pH 值降低，陽極溶解加速，致使縫隙腐蝕加劇。

1.3 IR 降理論

按照IR 降理論：反應發生一段時間后，縫隙內氧減少；縫隙內外的陽極區和陰極區會形成電流通路，介質的電阻導致內外產生電壓降，造成電位差，縫隙腐蝕加劇。

2 縫隙腐蝕的發生和影響因素

2.1 縫隙腐蝕的發生

在GB/T 30579—2014《承壓設備損傷模式識別》中冷卻水腐蝕提到：冷卻水腐蝕是冷卻水中由溶解鹽、氣體、有機化合物或微生物活動引起碳鋼和其他金屬的腐蝕。縫隙腐蝕縫隙腐蝕是冷卻水腐蝕的形式之一，碳鋼、所有不銹鋼、銅、鋁、鈦和鎳基合金受冷卻水腐蝕。300 系列不銹鋼在新鮮水、半咸水、鹽水、海水系統中可產生縫隙腐蝕。

酸性水腐蝕中提到，含有硫化氫且pH 值介于4.5～7.0 的酸性水引起的金屬腐蝕，介質中也可能含有二氧化碳。300 系列不銹鋼易發生點蝕，還可能出現縫隙腐蝕和氯化應力腐蝕開裂。

2.2 幾何因素

縫隙的內外面積、縫隙寬度深度、幾何形狀是縫隙腐蝕的相關因素。Rosenfeld[6]研究了2Cr13 在0.5 mol/L 的NaCl 溶液中的縫隙腐蝕，給出了腐蝕速率和腐蝕深度與縫隙寬度的關系。通過圖1 可以發現，縫隙寬度0.1～0.15 mm 時縫隙腐蝕率最高，腐蝕程度最為嚴重。關于316 不銹鋼的縫隙腐蝕，縫隙寬度對于腐蝕的發生和擴展有重要影響，縫隙寬度為1 mm 時不會發生縫隙腐蝕。

圖1 縫隙寬度與腐蝕率、腐蝕深度的關系

當縫隙足夠淺和寬時，如縫隙的寬度＞0.25 mm 時，縫隙區域無法形成閉塞區，在不論是氧濃差理論還是IR降理論中，縫隙內介質的氧氣濃度可以與縫隙外保持一致，縫隙腐蝕會始終處于孕育階段，只會造成輕微的全面腐蝕。當縫隙的寬度在0.025～0.15 mm 時，縫隙腐蝕會經歷孕育階段、開始階段、增殖階段，最終造成較為嚴重的局部腐蝕。其中縫隙的寬度在0.1～0.15 mm 腐蝕速率明顯增大，是縫隙腐蝕最易發生的尺寸。當縫隙的寬度＜0.025 mm 時，氧氣很難進入縫隙，縫隙腐蝕不會進入孕育階段，并且腐蝕產生的產物會堵塞縫隙，將縫隙內外隔絕，阻止腐蝕的進一步發生。

因此，在生產制造中應盡量避免縫隙的產生，當受限于結構時，縫隙應保持淺而寬，不應深而窄，以防止縫隙腐蝕的產生和加劇。

2.3 其他因素

介質的pH 值、金屬中的合金元素、介質中的溶解氧，可能存在的還原菌等都會對縫隙腐蝕產生影響。在存在離子的地下水溶液的環境中[7]，碳鋼與低合金鋼Corten A 均會發生縫隙腐蝕，腐蝕過程中閉塞區的pH 值降低，低合金鋼Corten A 的腐蝕程度更加嚴重。在長時間與介質接觸的過程中，合金元素Cr、Cu、Si 降低了Corten A 的耐腐蝕性能。碳鋼的縫隙腐蝕與溫度相關，溫度升高，腐蝕速率增大，當介質氧濃度升高，腐蝕速率增大。研究還表明，硫酸鹽還原菌等會加重Q235 鋼的縫隙腐蝕[8]。

因此在生產制造中，應按照材料的不同，嚴格控制介質中的Cl-含量、pH 值、溶解氧等，充分考慮材料與介質在縫隙結構的作用下，發生縫隙腐蝕的可能性。

3 一種筒體與管板連接結構

3.1 基本情況

在監檢某臺換熱器時，發現這臺設備管板、管程筒體短節和殼程筒體連接采用圖2 所示的結構。換熱器設計參數如下。

圖2 焊接結構

設計壓力：殼程1.5 MPa，管程1.2 MPa。

設計溫度：殼程230 ℃，管程50 ℃。

介質：殼程高溫氣，管程冷卻水。

材料：管板16MnIII，管程筒體短節Q345R，殼程筒體Q345R。

此結構出自GB/T 151—2014《熱交換器》附錄I“不兼做法蘭的管板與筒體連接可以采用圖I.2 中結構”（圖3）。該連接結構中的管板與筒體交界面采用筒體端部與管板凸臺焊接，部分筒體與部分管板緊緊貼合。

圖3 標準給出的焊接結構

根據標準，縫隙深度為L=0.25δ1-（0.3～0.5）δ。

3.2 情況分析

縫隙的深度：管板厚度與筒體厚度相差越大時，L 越大，越容易造成閉塞區域，此臺換熱器的L=41～44.5 mm，這對于縫隙腐蝕的防護是不利的。

縫隙的寬度：在制造中，貼合面由于殼體不圓度、焊接熔融物進入等因素，會使某些部位的縫隙處在0.025～0.15 mm，處于易發生縫隙腐蝕的寬度尺寸；并且在0.1～0.15 mm時，縫隙腐蝕速率較大。

材料與介質：此臺設備的管程介質為50 ℃的冷卻水，材料為碳鋼，易發生冷卻水腐蝕，而縫隙腐蝕為冷卻水腐蝕的形式之一，因此碳鋼材料與冷卻水介質易發生縫隙腐蝕。冷卻水介質在不同工藝的長期使用中，如果沒有得到有效的凈化和控制，可能會有Cl-含量升高、pH 值下降、溶解氧增加等情況，這對于縫隙腐蝕的防護十分不利。換熱設備管程和殼程的交界處，材料和附近介質的溫度隨工作情況有升降的波動，會進一步影響縫隙腐蝕的發生和擴展。

綜上所述，監檢員認為此連接結構有發生縫隙腐蝕的可能，應做出修改。通過與制造廠溝通，增加一道密封焊，將管板與筒體的縫隙密封。

4 縫隙腐蝕的檢出

縫隙腐蝕的發生部位較為隱蔽，在腐蝕擴展到縫隙外之前縫隙外觀變化不明顯，發生過程不易發覺，給縫隙腐蝕的檢驗帶來了困難。為提高縫隙腐蝕的檢出，給出以下建議。

（1）充分掌握設備情況，明晰設備可能存在的縫隙部位，如本文提到存在貼合面的連接結構、換熱設備換熱管與管板的脹接部位、設備墊板等。

（2）監控介質的離子變化、pH 值變化、氧含量等，通過腐蝕產物判斷有無腐蝕發生。

（3）日常使用管理和檢查中，關注縫隙部位是否有腐蝕產生，及時發現縫隙腐蝕的擴展。

（4）定期檢修和檢驗中，對可拆卸的縫隙貼合面，拆卸后檢驗和修理，保持貼合面的干凈，并且可以修復或增加覆層來使貼合面與介質隔絕。

（5）對不可拆卸的縫隙貼合面，可以采用高壓水沖洗等方法沖刷縫隙，通過檢查有無腐蝕產物沖出，判斷是否發生縫隙腐蝕，或采用其他技術觀察縫隙內情況。

（6）增加縫隙腐蝕掛片，通過對掛片的檢查，判斷是否有縫隙腐蝕的產生。

5 結語

在壓力容器設計制造中，應充分重視縫隙腐蝕，綜合考慮設計參數與設備結構，避免設備在使用中發生縫隙腐蝕。同時也提醒在設備日常使用管理和檢驗時，應充分關注設備存在結構縫隙的部位，加強檢查和檢驗，及時發現、及時處理。

在設計制造中主要采用結構調整和縫隙材料與介質隔絕的方法來實現縫隙腐蝕的防護，可以采用以下措施：①合理設計的結構，避免產生縫隙；②因結構、工藝等原因需保留縫隙的，縫隙應該淺且寬；③增加密封焊，將縫隙封閉；④結合面覆層；⑤使用抗縫隙腐蝕的材料；⑥嚴格控制介質中的離子含量、pH 值、氧含量等。