由于不同材料+環境體系的應力腐蝕影響因素是不一樣的,故本節只介紹奧氏體不銹鋼應力腐蝕的因素,分別從材料、環境和力學三個方面論述。
1. 材料(liao)因素
鉻和鎳是奧氏體不銹鋼的基本元素。其中,鉻與空氣中的氧生成氧化物,提高了鈍化膜的穩定性。鎳使不銹鋼內部形成穩定的奧氏體組織,隨著鎳含量的提高,不銹鋼耐應力腐蝕的能力提高。鉬可以強化不銹鋼基體,當鉬含量小于2.5%時,應力腐蝕敏感性隨著鉬含量增加而加大;當鉬含量大于5%時,影響規律相反。適當的氮元素能夠提高奧氏體不銹鋼組織的穩定性,大多數研究認為氮元素的加入可以減小應力腐蝕敏感性,但是也有的研究表明:在氯離子環境中,奧氏體不銹鋼耐應力腐蝕性能隨氮含量的增大而降低。硫元素會增加氯脆的敏感性。
材料的耐應力腐蝕性能也與晶粒大小、組織結構密切相關。細晶粒可以降低應力腐蝕敏感性。奧氏體不銹鋼中少量的鐵素體組織可以提高耐應力腐蝕開裂(SCC)性能;馬氏體組織會增加應力腐蝕敏感性,奧氏體不銹鋼中的馬氏體主要是在冷變形、焊接等過程產生的。
2. 環境因素(su)
環境(jing)對應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)影響較(jiao)為(wei)復雜(za),含鹵素離(li)子(zi)的(de)(de)(de)(de)介質(zhi)、高溫純水(shui)、硫化物(wu)環境(jing)等都能引起奧氏體不(bu)銹鋼應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)。所有的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究一(yi)致(zhi)表明:在(zai)相同的(de)(de)(de)(de)條件下,應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)敏(min)感(gan)性(xing)隨著(zhu)氯(lv)離(li)子(zi)含量的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大而(er)升高。在(zai)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)(du)下,存在(zai)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)氯(lv)離(li)子(zi)臨(lin)(lin)界濃度(du)(du)(du)。在(zai)有些(xie)場合,介質(zhi)中氯(lv)離(li)子(zi)平均濃度(du)(du)(du)很低,但(dan)(dan)是(shi)(shi)也會(hui)發生(sheng)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)斷裂現象,這主要是(shi)(shi)由氯(lv)離(li)子(zi)在(zai)局部富(fu)集引起的(de)(de)(de)(de)。溫度(du)(du)(du)升高,應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)敏(min)感(gan)性(xing)增(zeng)大,但(dan)(dan)是(shi)(shi)并不(bu)具有線性(xing)影響規律,當溫度(du)(du)(du)較(jiao)高時,對應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)影響的(de)(de)(de)(de)變化程度(du)(du)(du)減緩(huan)。溫度(du)(du)(du)對應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)影響是(shi)(shi)因為(wei)溫度(du)(du)(du)升高,化學反應(ying)(ying)速(su)率增(zeng)加,金屬腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)速(su)率增(zeng)加。pH值是(shi)(shi)影響應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)開裂的(de)(de)(de)(de)另一(yi)重要因素,材料(liao)內應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)性(xing)能隨著(zhu)pH的(de)(de)(de)(de)降(jiang)低而(er)降(jiang)低,但(dan)(dan)當pH<2時,腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)類型變為(wei)全面腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)。圖(tu)5-6是(shi)(shi)Truman對溫度(du)(du)(du)、氯(lv)離(li)子(zi)濃度(du)(du)(du)、pH綜合影響的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究結(jie)果(guo)。從圖(tu)中可以看出,隨著(zhu)pH的(de)(de)(de)(de)降(jiang)低,引起應(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)氯(lv)離(li)子(zi)臨(lin)(lin)界濃度(du)(du)(du)降(jiang)低。介質(zhi)中氧氣濃度(du)(du)(du)升高,SCC敏(min)感(gan)性(xing)增(zeng)大。
3. 力學(xue)因素
與(yu)其(qi)他腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)類(lei)型(xing)相比(bi)較,應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)是(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)必不可少的(de)條(tiao)件。應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)來源于工作應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)、殘余應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)、熱應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)及結構應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li),或者由(you)于腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)產物引(yin)起的(de)擴(kuo)張力(li)(li)(li),一般認(ren)為(wei)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)是(shi)(shi)由(you)拉應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)引(yin)起的(de),但是(shi)(shi)也(ye)有研(yan)究(jiu)人員認(ren)為(wei)壓應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)也(ye)可以引(yin)起應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)。部分研(yan)究(jiu)者認(ren)為(wei),應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變是(shi)(shi)控制SCC裂紋萌生與(yu)發(fa)展的(de)主因,應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)增(zeng)大(da)使應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)變速率增(zeng)加(jia)(jia)。焊接殘余應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)和(he)(he)加(jia)(jia)工殘余應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)是(shi)(shi)引(yin)起SCC的(de)主要原因,據統計(ji),80%的(de)SCC是(shi)(shi)由(you)殘余應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)造成(cheng)的(de)。加(jia)(jia)工殘余應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)主要是(shi)(shi)由(you)沖壓成(cheng)型(xing)、管和(he)(he)筒體(ti)冷彎(wan)、脹接、擴(kuo)口等工藝(yi)引(yin)起的(de)。壓力(li)(li)(li)容器和(he)(he)管道(dao)中,焊接部位由(you)于存在焊接殘余應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)和(he)(he)加(jia)(jia)工應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)的(de)疊加(jia)(jia),更是(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)易發(fa)生地,某企業2臺氫化(hua)塔發(fa)生應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)的(de)部位如(ru)圖5-7所示。
對于(yu)圖(tu)5-7所示的薄(bo)壁(bi)內(nei)壓容器,其環向(xiang)和經向(xiang)應力可采(cai)用回轉薄(bo)殼(ke)的薄(bo)膜(mo)應力分析理論分析,受力圖(tu)如圖(tu)5-8所示。環向(xiang)應力。。的計(ji)算公式(shi)為
在(zai)含氯離(li)子環境中,即使殘余應(ying)(ying)力較小(xiao),也可能會引起應(ying)(ying)力腐(fu)(fu)蝕,這(zhe)是因(yin)為(wei)材料表面缺陷容(rong)易引起點蝕,點蝕坑會造成應(ying)(ying)力集中,加(jia)速裂紋(wen)萌生。某(mou)一公司(si)的換熱(re)器服役一年多(duo)后(hou)換熱(re)管因(yin)應(ying)(ying)力腐(fu)(fu)蝕造成泄(xie)漏(lou)(lou),泄(xie)漏(lou)(lou)部(bu)位(wei)并不在(zai)焊接部(bu)位(wei)處,如圖5-9所(suo)示。
奧氏體不銹鋼換(huan)熱管經冷拔后,經過固溶處理,再通過矯直消除管子的變形,但是矯直處理使管子產生較高的殘余應力。表5-1給出了三種材料的管子經冷拔-固溶-矯直之后的殘余應力值。