石油化工鋼制壓力容器研究范文

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摘要：

以石油化工304L不銹鋼壓力容器為研究對(duì)象，采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)方法，研究了不同溫度和腐蝕介質(zhì)濃度下的應(yīng)力腐蝕變化規(guī)律和斷口特征。結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變速率為1×10-6s-1時(shí)，隨著溫度的升高和NaOH濃度的增加，304L不銹鋼壓力容器的應(yīng)力腐蝕敏感性增加；隨著溫度的升高，壓力容器的腐蝕傾向越大，斷裂特征已經(jīng)逐漸從韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂，尤其是當(dāng)溫度為280℃時(shí)已經(jīng)發(fā)生了較為顯著的應(yīng)力腐蝕；隨著腐蝕介質(zhì)濃度的增加，壓力容器斷裂的時(shí)間不斷縮短。

關(guān)鍵詞：

壓力容器；應(yīng)力腐蝕；腐蝕介質(zhì)濃度；斷口形貌

壓力容器是一個(gè)涉及多行業(yè)、多學(xué)科的綜合性產(chǎn)品，其建造技術(shù)涉及到冶金、機(jī)械加工、腐蝕與防腐、無(wú)損檢測(cè)、安全防護(hù)等眾多行業(yè)。壓力容器廣泛應(yīng)用于化工、石油、機(jī)械、動(dòng)力、冶金、核能、航空、航天、海洋等部門(mén)，是國(guó)家裝備制造水平的重要標(biāo)志。石油化工介質(zhì)對(duì)壓力容器用材具有特殊的耐腐蝕性要求。有時(shí)是因介質(zhì)中有雜質(zhì)，使腐蝕性加劇。腐蝕介質(zhì)的種類(lèi)和性質(zhì)各不相同，加上工藝條件的差異，介質(zhì)的腐蝕性也不相同[1]。這就要求壓力容器在選用材料時(shí)，除了應(yīng)滿(mǎn)足使用條件下的力學(xué)性能要求外，還要具備足夠的耐腐蝕性，必要時(shí)還要采取一定的防腐措施。

1試驗(yàn)材料與方法

選取304L奧氏體不銹鋼壓力容器作為研究對(duì)象，實(shí)際化學(xué)成分采用等離子發(fā)射光譜法測(cè)定其質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（%）為：0.015C、0.38Si、1.32Mn、0.013P、0.006S、18.16Cr、7.99Ni，余量為Fe。常溫力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度658MPa，屈服強(qiáng)度275MPa，斷后伸長(zhǎng)率60%。對(duì)壓力容器用304L不銹鋼進(jìn)行慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，具體工藝參數(shù)如表1，試驗(yàn)儀器為Cortest公司生產(chǎn)的試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[2]。堿性腐蝕介質(zhì)為氫氧化鈉和去離子水配置而成。試驗(yàn)腐蝕介質(zhì)溫度為200℃、250℃和280℃，腐蝕介質(zhì)的濃度分別為2%和5%，應(yīng)變速率為1×10-6s-1，腐蝕介質(zhì)的pH值在試驗(yàn)前測(cè)定并記錄在表1中。鋼制壓力容器的金相組織在OLPMPLUS-6型金相顯微鏡下觀察；斷口形貌觀察在JSM-6460LV型電子顯微鏡下觀察。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

沿著縱向截取壓力容器中塊狀試樣，經(jīng)過(guò)打磨、機(jī)械拋光后，采用三氯化鐵溶液腐蝕后置于金相顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖1。可以發(fā)現(xiàn)，壓力容器成品的金相組織中晶界較為明顯，在晶粒內(nèi)部基本沒(méi)有碳化物顆粒存在，表明此時(shí)的壓力容器已經(jīng)經(jīng)過(guò)固溶處理，在局部放大區(qū)域中可以看出，在晶界處的碳化物有的呈現(xiàn)出斷續(xù)分布狀態(tài)，晶內(nèi)的少數(shù)黑色顆粒可能是在時(shí)效過(guò)程中析出的第二相，也有可能是未完全固溶的顆粒。這些晶內(nèi)或者晶界的第二相對(duì)壓力容器的腐蝕性能將會(huì)產(chǎn)生重要的影響[3]。圖2分別列出了304L壓力容器在不同腐蝕條件下的應(yīng)力-斷后伸長(zhǎng)率曲線，其中圖2（a）為在溫度分別為200℃、250℃和280℃，腐蝕介質(zhì)濃度為2%，應(yīng)變速率為1×10-6s-1時(shí)的應(yīng)-斷后伸長(zhǎng)率曲線，可以看出，隨著腐蝕介質(zhì)溫度的升高，試樣的最大應(yīng)力值和此時(shí)對(duì)應(yīng)的斷后伸長(zhǎng)率的值都有所降低。

當(dāng)溫度為200℃，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為450MPa，斷后伸長(zhǎng)率為35%；當(dāng)溫度為250℃，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為410MPa，斷后伸長(zhǎng)率為30%；當(dāng)溫度為280℃，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為375MPa，斷后伸長(zhǎng)率為36%。圖2（b）為在溫度為280℃，腐蝕介質(zhì)濃度分別為2%和5%，應(yīng)變速率為1×10-6s-1時(shí)的應(yīng)力-斷后伸長(zhǎng)率曲線，可以看出，隨著腐蝕介質(zhì)濃度的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度增加而斷后伸長(zhǎng)率降低；當(dāng)腐蝕介質(zhì)濃度為2%時(shí)，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為375MPa，斷后伸長(zhǎng)率為27.5%；當(dāng)腐蝕介質(zhì)濃度為5%時(shí)，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為400MPa，斷后伸長(zhǎng)率為15%。由此可見(jiàn)，溫度和腐蝕介質(zhì)濃度都對(duì)壓力容器的應(yīng)力腐蝕性能非常敏感，都為影響壓力容器應(yīng)力腐蝕性能的重要因素。圖3列出了304L壓力容器在不同腐蝕條件下的應(yīng)力-時(shí)間曲線，其中圖3（a）為在溫度分別為200℃、250℃和280℃，腐蝕介質(zhì)濃度為2%，應(yīng)變速率為1×10-6s-1時(shí)的應(yīng)力-時(shí)間曲線，可以看出，隨著腐蝕介質(zhì)溫度的升高，試樣到達(dá)最大應(yīng)力值的時(shí)間不斷縮短。當(dāng)溫度為200℃，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為450MPa，所需時(shí)間為100h；當(dāng)溫度為250℃，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為410MPa，所需時(shí)間為90h；當(dāng)溫度為280℃，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為375MPa，所需時(shí)間為70h。圖3（b）為在溫度為280℃，腐蝕介質(zhì)濃度分別為2%和5%，應(yīng)變速率為1×10-6s-1時(shí)的應(yīng)力-時(shí)間曲線，可以看出，隨著腐蝕介質(zhì)濃度的增加，試樣到達(dá)最大應(yīng)力值的時(shí)間有所減小；當(dāng)腐蝕介質(zhì)濃度為2%時(shí)，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為375MPa，所需時(shí)間為70h；當(dāng)腐蝕介質(zhì)濃度為5%時(shí)，試樣的最大抗拉強(qiáng)度為400MPa，所需時(shí)間為40h。由此可見(jiàn)，隨著溫度的升高和腐蝕介質(zhì)濃度的增加，壓力容器斷裂的時(shí)間不斷縮短。

圖4~圖7分別為壓力容器在不同腐蝕環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕斷口形貌。圖4為腐蝕條件為2%氫氧化鈉溶液，溫度為200℃，應(yīng)變速率為1×10-6s-1時(shí)的斷口形貌，在低倍形貌中可見(jiàn)試樣有一定程度的縮頸，在局部高倍顯微組織中可見(jiàn)韌窩和撕裂棱，還存在一定數(shù)量的解理臺(tái)階，由于受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕作用[4]，在細(xì)小的微觀區(qū)域還可以發(fā)現(xiàn)細(xì)小的二次顯微裂紋。圖5為腐蝕條件為2%氫氧化鈉溶液，溫度為250℃，應(yīng)變速率為1×10-6s-1時(shí)的斷口形貌，在低倍形貌中可見(jiàn)試樣斷口的縮頸特征消失，取而代之的是較為平整的斷口，表明此時(shí)的塑性有所降低，雖然在高倍組織中仍然發(fā)現(xiàn)有一定數(shù)量的韌窩組織，但是這種韌窩較淺，且還存在尺寸較大的河流狀解理面，表現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷裂的特征，在局部區(qū)域還可以發(fā)現(xiàn)穿晶的二次顯微裂紋存在。

圖6為腐蝕條件為2%氫氧化鈉溶液，溫度為280℃，應(yīng)變速率為1×10-6s-1時(shí)的斷口形貌，在低倍形貌中也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)縮頸特征，宏觀斷口較為平整；高倍組織中可見(jiàn)大小不等、深淺不一的韌窩組織，局部已經(jīng)產(chǎn)生了較大的顯微孔洞。此外，在某些區(qū)域還出現(xiàn)了冰糖狀的脆性斷口特征，其中還伴隨著有河流狀解理臺(tái)階，此時(shí)的裂紋主要是穿晶斷裂，還可以發(fā)現(xiàn)一定的腐蝕產(chǎn)物堆積[5]。在這種腐蝕條件下，304L壓力容器已經(jīng)發(fā)生了較為明顯的腐蝕，是典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征。圖7為腐蝕條件為5%氫氧化鈉溶液，溫度為280℃，應(yīng)變速率為1×10-6s-1時(shí)的斷口形貌，在低倍形貌中斷口沒(méi)有發(fā)現(xiàn)縮頸，斷口有明顯的腐蝕痕跡，局部已經(jīng)發(fā)生了明顯的脫落，有腐蝕臺(tái)階產(chǎn)生；在高倍組織中可以發(fā)現(xiàn)，斷口中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)韌窩的存在，解理面和解理臺(tái)階較為明顯，是典型的脆性斷裂特征。局部高倍組織中還可以發(fā)現(xiàn)穿晶和沿晶裂紋同時(shí)存在，此時(shí)斷裂面已經(jīng)受到了較為強(qiáng)烈的腐蝕。對(duì)比圖4~圖7的壓力容器斷口形貌可知，隨著腐蝕溫度的升高，試樣的腐蝕傾向越大，試樣的斷裂已經(jīng)逐漸從韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂，溫度越高，腐蝕開(kāi)裂傾向越大，尤其是當(dāng)溫度為280℃時(shí)已經(jīng)發(fā)生了較為顯著的應(yīng)力腐蝕；腐蝕介質(zhì)的濃度也對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂產(chǎn)生了重大影響，在其他條件一致的前提下，增加腐蝕介質(zhì)濃度，同樣可以加劇應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

3結(jié)論

（1）隨著腐蝕介質(zhì)溫度的升高，試樣的最大應(yīng)力值和對(duì)應(yīng)的斷后伸長(zhǎng)率的值都有所降低；隨著腐蝕介質(zhì)濃度的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度增加而斷后伸長(zhǎng)率降低。（2）隨著溫度的升高和腐蝕介質(zhì)濃度的增加，壓力容器斷裂的時(shí)間不斷縮短。（3）隨著腐蝕溫度的升高，試樣的腐蝕傾向越大，試樣的斷裂已經(jīng)逐漸從韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂，溫度越高，腐蝕開(kāi)裂傾向越大，尤其是當(dāng)溫度為280℃時(shí)已經(jīng)發(fā)生了較為顯著的應(yīng)力腐蝕。

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作者：關(guān)大毅 單位：中油遼河油田 遼河工程有限公司