由于不同材料+環境體系的應力(li)腐(fu)蝕影響因素是不一樣的,故本節只介紹奧氏體不(bu)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(bu)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(ying)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(jing)因(yin)素
環(huan)境對(dui)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)較為復雜,含鹵素(su)離(li)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)介質、高(gao)(gao)溫純水(shui)、硫化物環(huan)境等都能引起奧氏體不(bu)(bu)銹鋼應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)。所(suo)有的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)一(yi)(yi)致(zhi)表(biao)明:在(zai)相同的(de)(de)(de)(de)條件下,應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)敏(min)感(gan)(gan)性隨(sui)著(zhu)氯(lv)離(li)子(zi)(zi)(zi)含量的(de)(de)(de)(de)增大(da)而升(sheng)(sheng)高(gao)(gao)。在(zai)不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)下,存(cun)在(zai)一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)氯(lv)離(li)子(zi)(zi)(zi)臨(lin)界濃(nong)(nong)度(du)(du)。在(zai)有些場合,介質中氯(lv)離(li)子(zi)(zi)(zi)平均濃(nong)(nong)度(du)(du)很低,但是(shi)也會發(fa)生應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)斷(duan)裂現(xian)象,這主(zhu)要(yao)是(shi)由氯(lv)離(li)子(zi)(zi)(zi)在(zai)局(ju)部富集(ji)引起的(de)(de)(de)(de)。溫度(du)(du)升(sheng)(sheng)高(gao)(gao),應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)敏(min)感(gan)(gan)性增大(da),但是(shi)并(bing)不(bu)(bu)具有線性影(ying)(ying)響(xiang)規律,當溫度(du)(du)較高(gao)(gao)時,對(dui)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)影(ying)(ying)響(xiang)的(de)(de)(de)(de)變化程度(du)(du)減緩。溫度(du)(du)對(dui)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)是(shi)因為溫度(du)(du)升(sheng)(sheng)高(gao)(gao),化學反應(ying)(ying)(ying)(ying)速率增加,金屬腐(fu)蝕(shi)(shi)速率增加。pH值(zhi)是(shi)影(ying)(ying)響(xiang)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)開裂的(de)(de)(de)(de)另(ling)一(yi)(yi)重要(yao)因素(su),材料內應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)性能隨(sui)著(zhu)pH的(de)(de)(de)(de)降(jiang)低而降(jiang)低,但當pH<2時,腐(fu)蝕(shi)(shi)類型變為全面腐(fu)蝕(shi)(shi)。圖5-6是(shi)Truman對(dui)溫度(du)(du)、氯(lv)離(li)子(zi)(zi)(zi)濃(nong)(nong)度(du)(du)、pH綜合影(ying)(ying)響(xiang)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)結果。從(cong)圖中可(ke)以看出,隨(sui)著(zhu)pH的(de)(de)(de)(de)降(jiang)低,引起應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)氯(lv)離(li)子(zi)(zi)(zi)臨(lin)界濃(nong)(nong)度(du)(du)降(jiang)低。介質中氧氣濃(nong)(nong)度(du)(du)升(sheng)(sheng)高(gao)(gao),SCC敏(min)感(gan)(gan)性增大(da)。
3. 力學(xue)因素
與其(qi)他腐蝕類型相比較,應(ying)(ying)力(li)(li)是(shi)(shi)應(ying)(ying)力(li)(li)腐蝕必不(bu)可(ke)少的(de)(de)(de)(de)條件(jian)。應(ying)(ying)力(li)(li)來(lai)源于(yu)(yu)工(gong)(gong)作應(ying)(ying)力(li)(li)、殘(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)(li)、熱應(ying)(ying)力(li)(li)及結(jie)構應(ying)(ying)力(li)(li),或者由于(yu)(yu)腐蝕產物引起(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)張力(li)(li),一般認(ren)(ren)為應(ying)(ying)力(li)(li)腐蝕是(shi)(shi)由拉應(ying)(ying)力(li)(li)引起(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de),但是(shi)(shi)也(ye)有研究(jiu)人員認(ren)(ren)為壓應(ying)(ying)力(li)(li)也(ye)可(ke)以引起(qi)(qi)(qi)應(ying)(ying)力(li)(li)腐蝕。部分研究(jiu)者認(ren)(ren)為,應(ying)(ying)變(bian)是(shi)(shi)控制SCC裂(lie)紋萌(meng)生(sheng)與發(fa)展的(de)(de)(de)(de)主因,應(ying)(ying)力(li)(li)增大使應(ying)(ying)變(bian)速率增加。焊(han)接(jie)(jie)殘(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)(li)和(he)(he)(he)加工(gong)(gong)殘(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)(li)是(shi)(shi)引起(qi)(qi)(qi)SCC的(de)(de)(de)(de)主要原因,據統(tong)計,80%的(de)(de)(de)(de)SCC是(shi)(shi)由殘(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)(li)造(zao)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)。加工(gong)(gong)殘(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)(li)主要是(shi)(shi)由沖壓成(cheng)型、管和(he)(he)(he)筒體冷彎、脹(zhang)接(jie)(jie)、擴(kuo)口等工(gong)(gong)藝引起(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)。壓力(li)(li)容器和(he)(he)(he)管道中,焊(han)接(jie)(jie)部位由于(yu)(yu)存(cun)在焊(han)接(jie)(jie)殘(can)余(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)(li)和(he)(he)(he)加工(gong)(gong)應(ying)(ying)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)疊加,更(geng)是(shi)(shi)應(ying)(ying)力(li)(li)腐蝕易(yi)發(fa)生(sheng)地,某企業2臺氫化塔發(fa)生(sheng)應(ying)(ying)力(li)(li)腐蝕的(de)(de)(de)(de)部位如(ru)圖5-7所示。
對于圖5-7所(suo)示(shi)的薄(bo)(bo)壁內壓容器,其環向(xiang)和經向(xiang)應力可采用(yong)回轉薄(bo)(bo)殼的薄(bo)(bo)膜(mo)應力分(fen)析(xi)理論分(fen)析(xi),受力圖如圖5-8所(suo)示(shi)。環向(xiang)應力。。的計算公式為
在(zai)含氯(lv)離(li)子(zi)環境中,即使殘余(yu)應力較(jiao)小,也(ye)可(ke)能會引起(qi)應力腐蝕,這是因為材料表面缺陷容易引起(qi)點(dian)蝕,點(dian)蝕坑會造成(cheng)應力集中,加速裂紋萌生。某一(yi)公(gong)司的換(huan)熱器服(fu)役(yi)一(yi)年多后(hou)換(huan)熱管因應力腐蝕造成(cheng)泄漏,泄漏部位并不(bu)在(zai)焊接部位處,如圖5-9所示(shi)。
奧氏體不銹鋼換(huan)熱管(guan)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。