压力容器脆性破坏与应力腐蚀的控制

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1、第4期内蒙古林学院学报(自然科学版)Vol.19No.41997年12月JOURNALOFNEIMENGGUFORESTRYCOLLEGEDec.1997
压力容器脆性破坏与应力腐蚀的控制123金淑青赵明洁王国忠(1.内蒙古林学院,呼和浩特,010019;2.河北师大职业技术师范学院,石家庄,050031)摘要本文论述了应力腐蚀对压力容器的危害、特征及应力腐蚀产生的原因并提出了在工程实际生产中所应采取的预防和控制性措施。关键词压力容器;应力腐蚀;残余应力中图资料分类号TH49;TQ051.3压力容器的脆性破坏是压力容器在许可设计应力水平以下产生急速破裂,又称之为低应力破坏,其破坏特征表现为断

2、裂开始时变形很小,断口平直而光亮,一般称之为解理型断口,在铁素体钢中一般为穿晶断裂,在大尺寸结构中出现人字形纹路,其尖端指向断裂的起点。作为断裂的起点往往是结构中的缺陷或几何形状的突变处。事故常发生在较低的温度下,此时材料的韧性差,断裂的速度是极快的,脆断的后果往往很严重。其破坏原因多为由于选材、结构设计不当;焊接、制造、热处理等工艺过程处理不好与检验的疏忽;以及由于蠕变、疲劳、腐蚀、应力腐蚀等使用和操作等种种原因而引起,其中应力腐蚀裂纹是引起压力容器破坏的主要原因之一。据英国对压力容器事故进行调查发现由于应力腐蚀而导致破坏的占1/5左右;英美对原子能压力容器及配管事故调查占1/3以上;据美

3、国杜邦公司调查,在腐蚀事故中,应力腐蚀约占33%;而日本在不锈钢腐蚀问题调查中,应力腐蚀占60.8%;我国国内压力容器破坏事故中,应〔1,2〕力腐蚀所引起的事故也占1/3左右。由此可见,在压力容器的腐蚀破坏形式中最引人注目的是应力腐蚀,本文拟就此问题进行一些探讨。1应力腐蚀的特征应力腐蚀又称为腐蚀开裂,是金属在腐蚀性介质和拉伸应力的共同作用下而产生的一种破坏形式,金属发生腐蚀时,腐蚀和应力相互促进,一方面腐蚀使金属的有效截面积减小,表面形成缺口,产生应力集中,另一方面应力加速腐蚀的进程,使表面的缺口向深处扩展,最终导致断裂。应力腐蚀破坏的构件,其宏观特征一般表现为表面局部腐蚀严重,而且最后常

4、常是脆性断裂,这是与构件所处的应力状态有关,因为在裂纹根部产生的应力集中,往往处于一种三向拉伸的应力状态。应力腐蚀裂纹一般是沿着晶界分布,也可以是穿晶分布,或者是兼具上述两种特征的混合型裂纹。应力腐蚀的断裂面大体上总是与主拉伸应力相垂直,而这种腐蚀只有在拉
收稿日期:1997-11-1046内蒙古林学院学报1997年伸应力状态下才能发生,构件受压缩应力时,是不会产生应力腐蚀的。2　应力腐蚀产生的原因　　通过大量的实际资料及分析表明,应力腐蚀的发生往往是在一定的条件下才能产生,应力腐蚀裂纹的发生与发展主要受三方面的因素影响:2.1　材料的化学成份与组织实践表明:钢材强度越高,产生应力腐蚀裂纹的

5、倾向也越大,综合许多国内外调查资料可以看出,屈服强度高于320Mpa的钢材焊制的液氨贮罐,几乎全部都发现有应力腐蚀裂纹;而屈服强度低于220Mpa的低碳钢贮罐,只有比例数很小的几台存在少量的应力腐蚀裂纹。而且〔3〕产生应力腐蚀的设备材料,主要是奥氏体不锈钢与碳钢。2.2　应力的状态与大小存在应力是产生应力腐蚀的必要条件之一。外加应力和残余内应力均可产生应力腐蚀,外应力可以通过计算求出,而残余应力的计算则较为复杂,且后者无论在设备运转或停工中都经常起作用,是产生应力腐蚀的主要因素。而在残余应力中又以焊接残余应力为主,冷变形残余〔2〕应力次之,负荷应力更次之。引起应力腐蚀破坏的应力分类调查,见表

6、1。表1　引起应力腐蚀破坏的应力分类调查引起破坏的应力种类产生scc的工件数比例,%残余应力9079.7热应力1715.0负载应力43.5安装时的约束力21.8合　　计113100　　通过上表可以看出残余应力在应力腐蚀问题中占有相当大的比例,而且在残余应力中焊接残余应力又居首位,所以我们重点谈一下焊接残余应力问题。2.2.1　焊接残余应力产生的原因焊接过程中产生残余应力的主要原因,是在焊接时局部被加热时在焊件上产生了不均匀温度场,从而导致了不均匀的膨胀。处于高温区的材料在加热过程中的膨胀量大,但受到周围温度较低、膨胀量小的部分材料的限制,而不能自由地进行膨胀,于是就出现了拉应力,使高温区材料

7、受到挤压,产生局部压缩塑性应变。在随后的冷却过程中,经受压缩塑性应变的部分,由于不能自由收缩而受到拉伸,于是焊件中出现了一个与焊接加热方向大致相反的内应力场。这种随温度、时间变化的内应力,当焊件冷却至常温时,残存于焊件中的应力就成为残余应力。焊接残余应力的计算,通常是把焊接过程归结为二维非定常热传导问题,其残余应力场的确定,可归结为一个非定常热弹塑性问题的求解,目前较为有效的方法是有限元法。除上述原因以外,在