浅析环境因素对材料的影响

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇浅析环境因素对材料的影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：分析了一特定设备在特定环境下，材料所受到的腐蚀危害性及影响因素，总结了此次案例的经验教训及受到的启示。

关键词：应力腐蚀；氯离子；压力容器；

文章编号：1674-3520（2015）-04-00-02

Abstract：The damage of the stress corrosion cracking and its factors of the special equipment in the special environmentwere analyzed. The lessons and the enlightenment learned from this case are summarized.

Key words：stress corrosion；chloridion；pressure vessel；

选择材料是石油化工设备设计中的重要环节。对于给定工况选择合适的材料是设计工程师的责任。材料选择涉及方方面面，从一般性的情况来说，工程师在选择工程材料时，一是分析业主方提供的设计数据，二是计算产品的受力情况，三是查阅国标及其他标准所规定的要求，如无特殊情况，这三条满足后，再结合市场情况考虑所选材料。但某些特殊环境下的工程，就要小心环境因素对材料产生的影响，材料中的某些成分可能会受特殊环境的影响，日积月累而产生不良的变化。在此，以一工程实例来分析此种情况。

某一工程所在位置地形是南高北低，坡向海岸，在此坡上要建立一座脱乙烷塔，设计压力为2.0MPA， 设计温度为-65℃/10℃，原设计塔体材质为09MnNiDR，但因此材料在当时市场上很难买到，工期又紧，后申请材料代用，代用材料为 0Cr18Ni9，代用材料厚度不变。设备经 100%RT 检测合格。

脱乙烷塔是在低温环境下工作的设备，由于低温脆性的存在，材料选择时首先考虑到低温段的材质材选用和制造技术要求， 低温用钢最危险的失效形式是低温脆断， 它会在没有任何预兆的情况下突然发生， 造成工程上的灾难性破坏， 必须引起高度的重视。

0Cr18Ni9属于18- 8 型奥氏体不锈钢， 具有在低温下使用的经验。一般常用的压力容器用钢是体心立方晶格结构的金属，在设计温度较低时，易产生裂纹的形核， 低温和有害杂质元素减小了扩展阻力， 增大了材料的脆断性，因此， 在设计温度较低时，宜采用面心立方结构的奥氏体不锈钢作为主要受压元件用材。而18- 8 型奥氏体不锈钢属于面心立方晶体结构， 具有优异的低温韧性， 广泛用于介质为液化气等的压力容器， 其使用温度最低可达- 196℃， 因此， 完全能满足该塔的设计条件。其他的面心立方结构的金属， 如铜、 镍等， 虽具有良好的低温韧性， 但价格太高， 且作为压力容器用钢的经验少， 而 0Cr19Ni9 钢板也是GB150《钢制压力容器》规定的材料。基于低温工况的考虑，施工方同意了制造单位提出的用0Cr18Ni9代用09MnNiDR的方案。

投产后，业主定期会进行塔内安全检测，十年来无任何问题，但从没进行过塔体外部检测。在去年的偶然一次检查塔体外部时，发现塔体下段出现裂纹，裂纹出现在下段直径为 1500mm 的塔体，主要集中在下封头往上三个筒节上，第四筒节上也有局部裂纹。塔体母材沿着塔体轴向开裂，最长的裂纹将近 800mm，裂纹深度达到 10mm，如下图所示：

焊缝金属上产生的裂纹垂直于焊缝，贯穿于焊缝金属、热影响区及焊缝附近母材。经过对下封头往上三个筒节做 100%PT 检测，裂纹分布广。

业主方紧急通知了设计方，裂纹试样经过分析，分别观察了表面、横截面及裂纹开裂处的形貌并分析了腐蚀产物的组成， 同时采用能谱对取回的保温材料进行了成分分析。可以看到，试样表面既有穿晶、也有沿晶裂纹。将裂纹掰开后，采用扫描电镜观察得到断口腐蚀产物的形貌以及腐蚀产物的能谱分析结果，如下图所示：

上图分析表明腐蚀产物中除了有 Fe、Cr 等金属元素外，还含有少量的 Cl，断口主要呈现脆性特征，有应力腐蚀特征。而保温材料的能谱分析结果表明保温材料中主要成分为碳、氧，由此推测腐蚀产物中的氯可能来自于海洋大气环境。

业主与设计方经过商讨，确定了最终的整修方案，但我们通过这个案例的分析可以得到以下几点的启示：

1、应力腐蚀不同于其他形式的材料腐蚀，它是对于特定材料在特定工况下发生的腐蚀形式， 是化学工业、天然气与石油开采以及加工工业、 冶金工业、 火电工业及核电工业等领域使用的压力容器的最危险的损伤之一。应力腐蚀所引起的破坏在事先往往没有明显的变形预兆而突然发生脆性断裂， 其危害性相当大， 可以说是一种灾难性腐蚀，因此，如果工况中含有一定的腐蚀介质，例如硫化氢，氯离子等，要特别注意预防应力腐蚀的发生，及早的制定预防措施及相应的对策。在设备维护期间， 要严格执行有关法规， 根据设备检修有关规定， 切实做好定期检查、 取样， 掌握压力容器在运行中缺陷的发展和腐蚀情况，对发现的问题应及时采取补救措施， 由此对于防止设备继续腐蚀、延长使用寿命以及确保压力容器安全运行具有重要意义。

2、设备在设计选材时，不仅要考虑工况，还应考虑环境的影响。在这起案例中，0Cr18Ni9材料是完全能适应脱乙烷塔的工况条件的，对于常规腐蚀，低温工况这样的使用条件，0Cr18Ni9是具有足够使用经验的材质，它本身也具有足够的耐晶间腐蚀能力和优良的耐蚀性。然而，海洋大气环境的影响却没有被充分考虑到，海岛常年潮湿气候中含有的较高浓度的氯离子，加速了奥氏体不锈钢外表面的应力腐蚀情况。

3、材料代用不能只简单的考虑以高代低。此案例的发生也与材料代用有关，材料代用在设备制造过程中是不可避免的，在设备制造过程中， 由于采购困难或为了对现有材料进行充分利用等原因， 材料代用问题在目前的压力容器设计中时有发生。在以往的代用考虑中，大部分都以“以高代低”的原则处理，然而材料性能的高低也是相对而言，材料性能对于某种材料而言不是确定不变的， 一种材料在某一方面的性能“高”于另一种材料的同时，有可能在其它方面“低”于另一种材料， 在不同的情况下， 人们对材料性能的需求是千变万化的， 在材料代用问题上的“高低”判断， 只能具体问题具体分析， 这方面的事例在压力容器中是常见的。代用时除了考虑材料的强度、刚度、稳定性，同时还要对介质腐蚀，环境影响，材料性能等方面做一个综合的评价。

以上是本人对此次案例中一个特定设备的设计，制造，运作及发生事故情况的回顾，分析及总结，相信总结得到的启示会对以后的设备设计工作有很大的帮助，从以往案例中得到的经验将会变成对未来设计的考量，为以后的工作打下更坚实的基础及提供更全面的视野。

参考文献：

[1]曹志明. 氨制冷压力容器应力腐蚀开裂原因及其对策[ J] . 压力容器， 2003， 20（ 5）： 42-44.

[2]丁伯民， 蔡仁良. 压力容器设计 原理及工程应用[ M] . 北京： 中国石化出版社， 1992.