由于不同材料+環境體系的應(ying)力腐蝕影響因素是不一樣的,故本節只介紹奧氏體不銹(xiu)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(su)
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(gang)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(li)腐蝕(shi)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(yin)素
環(huan)境(jing)對應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)影(ying)響較(jiao)(jiao)為(wei)復雜,含鹵素(su)離(li)子(zi)的(de)介(jie)質、高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)純水、硫化物環(huan)境(jing)等(deng)都能引(yin)(yin)起奧氏體不(bu)銹鋼應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。所有的(de)研(yan)究一致表明:在相同的(de)條件下,應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)敏(min)(min)感(gan)性(xing)隨著(zhu)氯(lv)(lv)(lv)離(li)子(zi)含量的(de)增大而升高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)。在不(bu)同的(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)下,存在一定的(de)氯(lv)(lv)(lv)離(li)子(zi)臨(lin)界濃(nong)度(du)(du)(du)。在有些(xie)場合(he),介(jie)質中氯(lv)(lv)(lv)離(li)子(zi)平均濃(nong)度(du)(du)(du)很低(di)(di)(di),但是(shi)(shi)也會發生應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)斷裂現象,這(zhe)主要是(shi)(shi)由(you)氯(lv)(lv)(lv)離(li)子(zi)在局部富集引(yin)(yin)起的(de)。溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)升高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao),應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)敏(min)(min)感(gan)性(xing)增大,但是(shi)(shi)并(bing)不(bu)具有線性(xing)影(ying)響規律,當(dang)(dang)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao)時(shi)(shi),對應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)影(ying)響的(de)變化程度(du)(du)(du)減(jian)緩(huan)。溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)對應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)影(ying)響是(shi)(shi)因為(wei)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)升高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao),化學反應速(su)率增加,金(jin)屬腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)率增加。pH值是(shi)(shi)影(ying)響應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)開(kai)裂的(de)另一重要因素(su),材料內應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)性(xing)能隨著(zhu)pH的(de)降低(di)(di)(di)而降低(di)(di)(di),但當(dang)(dang)pH<2時(shi)(shi),腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)類型變為(wei)全面腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。圖5-6是(shi)(shi)Truman對溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)、氯(lv)(lv)(lv)離(li)子(zi)濃(nong)度(du)(du)(du)、pH綜(zong)合(he)影(ying)響的(de)研(yan)究結果(guo)。從圖中可以(yi)看出,隨著(zhu)pH的(de)降低(di)(di)(di),引(yin)(yin)起應力(li)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)氯(lv)(lv)(lv)離(li)子(zi)臨(lin)界濃(nong)度(du)(du)(du)降低(di)(di)(di)。介(jie)質中氧氣濃(nong)度(du)(du)(du)升高(gao)(gao)(gao)(gao)(gao),SCC敏(min)(min)感(gan)性(xing)增大。
3. 力學因(yin)素
與其他(ta)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)類型(xing)相比較,應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)必不可(ke)少的(de)條件。應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)來源于(yu)工(gong)(gong)作應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)、殘(can)(can)余(yu)(yu)(yu)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)、熱(re)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)及結(jie)構應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li),或(huo)者由(you)于(yu)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)產物(wu)引(yin)(yin)起(qi)(qi)的(de)擴張力(li)(li)(li)(li)(li)(li),一般認為(wei)(wei)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)是(shi)(shi)(shi)由(you)拉應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)引(yin)(yin)起(qi)(qi)的(de),但是(shi)(shi)(shi)也有研(yan)究人員認為(wei)(wei)壓應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)也可(ke)以引(yin)(yin)起(qi)(qi)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。部分研(yan)究者認為(wei)(wei),應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)是(shi)(shi)(shi)控制(zhi)SCC裂紋(wen)萌生與發展的(de)主因,應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)增(zeng)(zeng)大使應(ying)(ying)(ying)(ying)變(bian)速率增(zeng)(zeng)加(jia)。焊(han)接(jie)殘(can)(can)余(yu)(yu)(yu)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)加(jia)工(gong)(gong)殘(can)(can)余(yu)(yu)(yu)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)是(shi)(shi)(shi)引(yin)(yin)起(qi)(qi)SCC的(de)主要(yao)(yao)原因,據統計,80%的(de)SCC是(shi)(shi)(shi)由(you)殘(can)(can)余(yu)(yu)(yu)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)造成的(de)。加(jia)工(gong)(gong)殘(can)(can)余(yu)(yu)(yu)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)主要(yao)(yao)是(shi)(shi)(shi)由(you)沖壓成型(xing)、管和(he)(he)(he)筒體冷彎、脹接(jie)、擴口(kou)等(deng)工(gong)(gong)藝引(yin)(yin)起(qi)(qi)的(de)。壓力(li)(li)(li)(li)(li)(li)容器和(he)(he)(he)管道(dao)中,焊(han)接(jie)部位由(you)于(yu)存在焊(han)接(jie)殘(can)(can)余(yu)(yu)(yu)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)和(he)(he)(he)加(jia)工(gong)(gong)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)的(de)疊加(jia),更(geng)是(shi)(shi)(shi)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)易(yi)發生地,某(mou)企業2臺氫(qing)化塔(ta)發生應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)的(de)部位如圖5-7所示。
對(dui)于圖5-7所示的(de)薄壁(bi)內壓容器(qi),其環向(xiang)(xiang)和經向(xiang)(xiang)應(ying)力可采用回轉薄殼的(de)薄膜(mo)應(ying)力分(fen)(fen)析理論分(fen)(fen)析,受力圖如(ru)圖5-8所示。環向(xiang)(xiang)應(ying)力。。的(de)計算公式為
在含氯離(li)子環境中,即使殘(can)余應力較小(xiao),也可能會(hui)引起(qi)應力腐(fu)蝕(shi)(shi),這是因為材料表面缺陷(xian)容(rong)易引起(qi)點(dian)蝕(shi)(shi),點(dian)蝕(shi)(shi)坑會(hui)造(zao)成應力集(ji)中,加速裂(lie)紋(wen)萌生。某一公司的換熱器服役(yi)一年多后換熱管因應力腐(fu)蝕(shi)(shi)造(zao)成泄(xie)漏,泄(xie)漏部(bu)位并(bing)不在焊接(jie)部(bu)位處,如圖(tu)5-9所示(shi)。
奧氏體不銹鋼換熱管經冷拔后,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。