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【摘 要】在压力容器灾难性事故中，因应力腐蚀断裂而引起的事故所占比例很高，且其危害性较大。因此，对其加以研究并分析其设计措施显得尤为重要。本文首先论述了压力容器应力腐蚀破裂的特征，进而分析了压力容器常用材料的应力腐蚀破裂，最后提出了压力容器抗应力腐蚀破裂的设计措施，以期能起到防止压力容器应力腐蚀破裂的作用。
【关键词】压力容器；应力腐蚀破裂；设计
0.前言
应力腐蚀破裂指的是金属受到腐蚀介质以及静拉伸应力的双重作用下（并有一定的温度条件）形成的一种特殊断裂方式。应力腐蚀现象较为复杂，当应力不存在时，腐蚀甚微；当有应力后，金属会在腐蚀并不严重的情况下发生破裂，由于破裂是脆性的，没有明显预兆，容易造成灾难性事故。据统计，因应力腐蚀破裂导致的灾害事故占了腐蚀事故的35%。如此高的破坏率不得不引起我们的重视。因此，对压力容器的应力腐蚀破裂与设计措施进行探究，对防止压力容器破坏事故的发生具有重要意义。
1.压力容器应力腐蚀破裂的特征
由于应力腐蚀破裂是在腐蚀介质和拉伸应力的双重作用下才会发生断裂，因此，其特征须包含以下几个方面：
（1）必须存在拉伸应力。拉伸应力，可以是压力容器在制作加工过程中的残余应力，也可以是由负载、振动、操作等引起的外加应力或热应力。
（2）必存在腐蚀介质，且只有某些金属与特定介质组合才会发生应力腐蚀破裂。较容易发生应力腐蚀破裂的金属材料与环境介质的组合见下表1。
（3）应力腐蚀多发生于裂纹的尖端，而金属的其他侵渍面上的腐蚀破裂速度要慢很多。
（4）断裂速度约在（10-3～10-1）cm/h数量级范围内。断口一般为脆断型，断口平整。
2.压力容器常用材料的应力腐蚀破裂
由于压力容器制造时常选用低碳钢和低合金钢作为钢材，因此在此仅分析其在三种介质环境下的的应力腐蚀破裂。
2.1碱液环境下的应力腐蚀破裂
在该介质环境下，由于碱液的浓度和碱脆的敏感性成正比，且金属的碳含量过高，使得金属断裂的敏感度增加，碱脆的敏感度也增加，加上拉伸应力的作用，使得低碳钢和低合金钢呈现出阳极溶解型应力腐蚀破裂。一般，在碱液环境下，低碳钢和低合金钢的断裂裂纹呈现树枝状，裂纹的宽度可达到1-2mm，其断裂电位在-700mV左右。
2.2液氨环境下的应力腐蚀破裂
在该介质环境下，如果NH3、O2和N2三者必须同时存在，才会产生破裂现象。在含氧的液氨介质中，如果氧气含量足够多，且液氨中含水量大于0.2%时，这样碳钢的表面会吸附氧而形成一层氧膜，从而对应力腐蚀破裂产生一定的抑制作用。但如果介质中氧的含量为0.9-9μg/g时，且介质中还含有N2，加上拉伸应力的作用，则就会使金属应力腐蚀破裂的敏感度增加，从而使低碳钢和低合金钢呈现出阳极溶解型应力腐蚀破裂。另外，材料中合金元素Ni对应力腐蚀破裂敏感性的影响较大，材料强度、硬度越高，其发生应力腐蚀破裂的敏感性就越大。据国外资料统计来看，35-50kgf/mm2（343-490N/mm2）的钢材，应力腐蚀破裂率为92.8%。
2.3硫化氢环境下的应力腐蚀破裂
在该介质环境下，在介质的pH值比较低的时候（pH<3），硫化氢被腐蚀，从而在阴极会产生大量的氢气，这个反应是两个过程，即H+→H；H→H2。由于介质中存在H2S和金属被腐蚀产生的Fe9S8，这两种物质会对H变成氢气这一过程造成抑制，从而使得金属表面的氢原子不能形成氢分子，也就不能从金属的表面逸出，反而会进入到金属内部，使得金属的塑性降低，出现应力腐蚀破裂。可以说，在硫化氢环境下，溶液的浓度、pH值、温度和金属材料的强度都影响着应力腐蚀破裂的敏感度。一般，应力腐蚀破裂的敏感度会随硫化氢溶液浓度的增加而增加；当pH≤6时，金属应力腐蚀很严重，当69时，就很少会产生应力腐蚀断裂了；当溶液温度达到20℃时应力腐蚀破裂的敏感度最大；应力腐蚀破裂的敏感度会随金属材料强度的增加而增加。
3.压力容器抗应力腐蚀破裂的设计措施
3.1在氢氧化纳应力腐蚀环境中的设计
（1）选择材料时，应综合考虑强度、塑性、碱脆敏感性三个方面的因素来选择碳钢材料。一般，可选择含碳量约为0.2%的镇静钢，如20R钢等。
（2）由于导致应力腐蚀破裂的应力多为制作加工过程的残余应力，因此，为减少焊后应力影响，应进行焊后消除应力热处理，以消除配焊接过程中的残余应力，从而最大限度地减小焊接过程中的错边、棱角度及缝隙泄漏等。
（3）在某些环境介质下可加入缓蚀剂，如NaPO4、NaNO3等。
3.2在液氨应力腐蚀环境中的设计
（1）选择材料时，应优先选用σs<350MPa的钢材（如低碳钢和低合金钢16MnR），这样即可通过控制母材和焊接接头的硬度（使其硬度≤HB200）或是在液氨介质中加入0.2%～1%的水，就可防止发生液氨应力腐蚀断裂了。而如选择σs≥350MPa的低合金钢，如15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR等，在焊后则必须进行消除应力的热处理。
（2）温度方面，回火温度尽量控制在300℃～400℃之间，并且要充分回火，以消除残余应力，回火温度300℃～400℃；退火温度一般控制在600℃～650℃之间。将储藏温度控制在10℃以下。
（3）液氨中加入100μg/g的冷冻机油、5μg/g的菜籽油或10～50μg/g的硅油作为液氨应力腐蚀抑制剂。
（4）在焊后应进行消除应力热处理，以消除制造加工过程中产生的残余应力。
（5）焊后，在对容器进行检验时，应对所有焊缝进行100%的磁粉探伤，有困难的，也应对容器底部（液相面以下）所有焊缝进行100%磁粉探伤或超声波探伤。
3.3在硫化氢应力腐蚀环境中的设计
（1）选择材料时，应尽量选择有一定硫化氢应力腐蚀破裂抗性的材料，如低碳钢和16MnR等。
（2）为了使钢材在焊后具有良好的抗应力腐蚀性能，在焊后应做消除应力热处理，且要求热处理后母材及焊接接头的硬度不高于HB200。
总之，在应力腐蚀环境中设计压力容器，应根据其相应的工作环境来选择钢材和确定制造技术要求。在结构设计时，要尽量避免结构不连续、焊接接头交叉、受压构建以外的零部件的焊接、临时焊接的附件等。而在焊接时，其焊接接头不宜选用带永久垫板的结构。
4.结束语
综上所述，在腐蚀介质和拉伸应力的作用下压力容器极易发生应力腐蚀断裂，从而造成灾难性事故。因此，有必要分析一下压力容器常用材料在碱液、液氨及硫化氢等环境下发生的应力腐蚀断裂，同时并据此探究在这些应力腐蚀环境下压力容器的设计要求，以降低在制造过程中产生的残余应力，最终防止压力容器破坏事故的发生。
【参考文献】
[1]马丹.压力容器的应力腐蚀破裂与控制[J].中国高新技术企业，2013（21）.
[2]聂洪轩.压力容器应力腐蚀破裂的探讨[J].机械工程师，2013（03）.
【关键词】压力容器；应力腐蚀破裂；设计
0.前言
应力腐蚀破裂指的是金属受到腐蚀介质以及静拉伸应力的双重作用下（并有一定的温度条件）形成的一种特殊断裂方式。应力腐蚀现象较为复杂，当应力不存在时，腐蚀甚微；当有应力后，金属会在腐蚀并不严重的情况下发生破裂，由于破裂是脆性的，没有明显预兆，容易造成灾难性事故。据统计，因应力腐蚀破裂导致的灾害事故占了腐蚀事故的35%。如此高的破坏率不得不引起我们的重视。因此，对压力容器的应力腐蚀破裂与设计措施进行探究，对防止压力容器破坏事故的发生具有重要意义。
1.压力容器应力腐蚀破裂的特征
由于应力腐蚀破裂是在腐蚀介质和拉伸应力的双重作用下才会发生断裂，因此，其特征须包含以下几个方面：
（1）必须存在拉伸应力。拉伸应力，可以是压力容器在制作加工过程中的残余应力，也可以是由负载、振动、操作等引起的外加应力或热应力。
（2）必存在腐蚀介质，且只有某些金属与特定介质组合才会发生应力腐蚀破裂。较容易发生应力腐蚀破裂的金属材料与环境介质的组合见下表1。
（3）应力腐蚀多发生于裂纹的尖端，而金属的其他侵渍面上的腐蚀破裂速度要慢很多。
（4）断裂速度约在（10-3～10-1）cm/h数量级范围内。断口一般为脆断型，断口平整。
2.压力容器常用材料的应力腐蚀破裂
由于压力容器制造时常选用低碳钢和低合金钢作为钢材，因此在此仅分析其在三种介质环境下的的应力腐蚀破裂。
2.1碱液环境下的应力腐蚀破裂
在该介质环境下，由于碱液的浓度和碱脆的敏感性成正比，且金属的碳含量过高，使得金属断裂的敏感度增加，碱脆的敏感度也增加，加上拉伸应力的作用，使得低碳钢和低合金钢呈现出阳极溶解型应力腐蚀破裂。一般，在碱液环境下，低碳钢和低合金钢的断裂裂纹呈现树枝状，裂纹的宽度可达到1-2mm，其断裂电位在-700mV左右。
2.2液氨环境下的应力腐蚀破裂
在该介质环境下，如果NH3、O2和N2三者必须同时存在，才会产生破裂现象。在含氧的液氨介质中，如果氧气含量足够多，且液氨中含水量大于0.2%时，这样碳钢的表面会吸附氧而形成一层氧膜，从而对应力腐蚀破裂产生一定的抑制作用。但如果介质中氧的含量为0.9-9μg/g时，且介质中还含有N2，加上拉伸应力的作用，则就会使金属应力腐蚀破裂的敏感度增加，从而使低碳钢和低合金钢呈现出阳极溶解型应力腐蚀破裂。另外，材料中合金元素Ni对应力腐蚀破裂敏感性的影响较大，材料强度、硬度越高，其发生应力腐蚀破裂的敏感性就越大。据国外资料统计来看，35-50kgf/mm2（343-490N/mm2）的钢材，应力腐蚀破裂率为92.8%。
2.3硫化氢环境下的应力腐蚀破裂
在该介质环境下，在介质的pH值比较低的时候（pH<3），硫化氢被腐蚀，从而在阴极会产生大量的氢气，这个反应是两个过程，即H+→H；H→H2。由于介质中存在H2S和金属被腐蚀产生的Fe9S8，这两种物质会对H变成氢气这一过程造成抑制，从而使得金属表面的氢原子不能形成氢分子，也就不能从金属的表面逸出，反而会进入到金属内部，使得金属的塑性降低，出现应力腐蚀破裂。可以说，在硫化氢环境下，溶液的浓度、pH值、温度和金属材料的强度都影响着应力腐蚀破裂的敏感度。一般，应力腐蚀破裂的敏感度会随硫化氢溶液浓度的增加而增加；当pH≤6时，金属应力腐蚀很严重，当6
3.压力容器抗应力腐蚀破裂的设计措施
3.1在氢氧化纳应力腐蚀环境中的设计
（1）选择材料时，应综合考虑强度、塑性、碱脆敏感性三个方面的因素来选择碳钢材料。一般，可选择含碳量约为0.2%的镇静钢，如20R钢等。
（2）由于导致应力腐蚀破裂的应力多为制作加工过程的残余应力，因此，为减少焊后应力影响，应进行焊后消除应力热处理，以消除配焊接过程中的残余应力，从而最大限度地减小焊接过程中的错边、棱角度及缝隙泄漏等。
（3）在某些环境介质下可加入缓蚀剂，如NaPO4、NaNO3等。
3.2在液氨应力腐蚀环境中的设计
（1）选择材料时，应优先选用σs<350MPa的钢材（如低碳钢和低合金钢16MnR），这样即可通过控制母材和焊接接头的硬度（使其硬度≤HB200）或是在液氨介质中加入0.2%～1%的水，就可防止发生液氨应力腐蚀断裂了。而如选择σs≥350MPa的低合金钢，如15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR等，在焊后则必须进行消除应力的热处理。
（2）温度方面，回火温度尽量控制在300℃～400℃之间，并且要充分回火，以消除残余应力，回火温度300℃～400℃；退火温度一般控制在600℃～650℃之间。将储藏温度控制在10℃以下。
（3）液氨中加入100μg/g的冷冻机油、5μg/g的菜籽油或10～50μg/g的硅油作为液氨应力腐蚀抑制剂。
（4）在焊后应进行消除应力热处理，以消除制造加工过程中产生的残余应力。
（5）焊后，在对容器进行检验时，应对所有焊缝进行100%的磁粉探伤，有困难的，也应对容器底部（液相面以下）所有焊缝进行100%磁粉探伤或超声波探伤。
3.3在硫化氢应力腐蚀环境中的设计
（1）选择材料时，应尽量选择有一定硫化氢应力腐蚀破裂抗性的材料，如低碳钢和16MnR等。
（2）为了使钢材在焊后具有良好的抗应力腐蚀性能，在焊后应做消除应力热处理，且要求热处理后母材及焊接接头的硬度不高于HB200。
总之，在应力腐蚀环境中设计压力容器，应根据其相应的工作环境来选择钢材和确定制造技术要求。在结构设计时，要尽量避免结构不连续、焊接接头交叉、受压构建以外的零部件的焊接、临时焊接的附件等。而在焊接时，其焊接接头不宜选用带永久垫板的结构。
4.结束语
综上所述，在腐蚀介质和拉伸应力的作用下压力容器极易发生应力腐蚀断裂，从而造成灾难性事故。因此，有必要分析一下压力容器常用材料在碱液、液氨及硫化氢等环境下发生的应力腐蚀断裂，同时并据此探究在这些应力腐蚀环境下压力容器的设计要求，以降低在制造过程中产生的残余应力，最终防止压力容器破坏事故的发生。
【参考文献】
[1]马丹.压力容器的应力腐蚀破裂与控制[J].中国高新技术企业，2013（21）.
[2]聂洪轩.压力容器应力腐蚀破裂的探讨[J].机械工程师，2013（03）.