石油化工钢制压力容器研究范文

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摘要：

以石油化工304L不锈钢压力容器为研究对象，采用慢应变速率试验方法，研究了不同温度和腐蚀介质浓度下的应力腐蚀变化规律和断口特征。结果表明，当应变速率为1×10-6s-1时，随着温度的升高和NaOH浓度的增加，304L不锈钢压力容器的应力腐蚀敏感性增加；随着温度的升高，压力容器的腐蚀倾向越大，断裂特征已经逐渐从韧性断裂转为脆性断裂，尤其是当温度为280℃时已经发生了较为显著的应力腐蚀；随着腐蚀介质浓度的增加，压力容器断裂的时间不断缩短。

关键词：

压力容器；应力腐蚀；腐蚀介质浓度；断口形貌

压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业。压力容器广泛应用于化工、石油、机械、动力、冶金、核能、航空、航天、海洋等部门，是国家装备制造水平的重要标志。石油化工介质对压力容器用材具有特殊的耐腐蚀性要求。有时是因介质中有杂质，使腐蚀性加剧。腐蚀介质的种类和性质各不相同，加上工艺条件的差异，介质的腐蚀性也不相同[1]。这就要求压力容器在选用材料时，除了应满足使用条件下的力学性能要求外，还要具备足够的耐腐蚀性，必要时还要采取一定的防腐措施。

1试验材料与方法

选取304L奥氏体不锈钢压力容器作为研究对象，实际化学成分采用等离子发射光谱法测定其质量分数w（%）为：0.015C、0.38Si、1.32Mn、0.013P、0.006S、18.16Cr、7.99Ni，余量为Fe。常温力学性能为：抗拉强度658MPa，屈服强度275MPa，断后伸长率60%。对压力容器用304L不锈钢进行慢应变速率应力腐蚀试验，具体工艺参数如表1，试验仪器为Cortest公司生产的试验机，按照ASTM标准进行[2]。碱性腐蚀介质为氢氧化钠和去离子水配置而成。试验腐蚀介质温度为200℃、250℃和280℃，腐蚀介质的浓度分别为2%和5%，应变速率为1×10-6s-1，腐蚀介质的pH值在试验前测定并记录在表1中。钢制压力容器的金相组织在OLPMPLUS-6型金相显微镜下观察；断口形貌观察在JSM-6460LV型电子显微镜下观察。

2实验结果与分析

沿着纵向截取压力容器中块状试样，经过打磨、机械抛光后，采用三氯化铁溶液腐蚀后置于金相显微镜下观察，结果如图1。可以发现，压力容器成品的金相组织中晶界较为明显，在晶粒内部基本没有碳化物颗粒存在，表明此时的压力容器已经经过固溶处理，在局部放大区域中可以看出，在晶界处的碳化物有的呈现出断续分布状态，晶内的少数黑色颗粒可能是在时效过程中析出的第二相，也有可能是未完全固溶的颗粒。这些晶内或者晶界的第二相对压力容器的腐蚀性能将会产生重要的影响[3]。图2分别列出了304L压力容器在不同腐蚀条件下的应力-断后伸长率曲线，其中图2（a）为在温度分别为200℃、250℃和280℃，腐蚀介质浓度为2%，应变速率为1×10-6s-1时的应-断后伸长率曲线，可以看出，随着腐蚀介质温度的升高，试样的最大应力值和此时对应的断后伸长率的值都有所降低。

当温度为200℃，试样的最大抗拉强度为450MPa，断后伸长率为35%；当温度为250℃，试样的最大抗拉强度为410MPa，断后伸长率为30%；当温度为280℃，试样的最大抗拉强度为375MPa，断后伸长率为36%。图2（b）为在温度为280℃，腐蚀介质浓度分别为2%和5%，应变速率为1×10-6s-1时的应力-断后伸长率曲线，可以看出，随着腐蚀介质浓度的增加，试样的抗拉强度增加而断后伸长率降低；当腐蚀介质浓度为2%时，试样的最大抗拉强度为375MPa，断后伸长率为27.5%；当腐蚀介质浓度为5%时，试样的最大抗拉强度为400MPa，断后伸长率为15%。由此可见，温度和腐蚀介质浓度都对压力容器的应力腐蚀性能非常敏感，都为影响压力容器应力腐蚀性能的重要因素。图3列出了304L压力容器在不同腐蚀条件下的应力-时间曲线，其中图3（a）为在温度分别为200℃、250℃和280℃，腐蚀介质浓度为2%，应变速率为1×10-6s-1时的应力-时间曲线，可以看出，随着腐蚀介质温度的升高，试样到达最大应力值的时间不断缩短。当温度为200℃，试样的最大抗拉强度为450MPa，所需时间为100h；当温度为250℃，试样的最大抗拉强度为410MPa，所需时间为90h；当温度为280℃，试样的最大抗拉强度为375MPa，所需时间为70h。图3（b）为在温度为280℃，腐蚀介质浓度分别为2%和5%，应变速率为1×10-6s-1时的应力-时间曲线，可以看出，随着腐蚀介质浓度的增加，试样到达最大应力值的时间有所减小；当腐蚀介质浓度为2%时，试样的最大抗拉强度为375MPa，所需时间为70h；当腐蚀介质浓度为5%时，试样的最大抗拉强度为400MPa，所需时间为40h。由此可见，随着温度的升高和腐蚀介质浓度的增加，压力容器断裂的时间不断缩短。

图4~图7分别为压力容器在不同腐蚀环境中的应力腐蚀断口形貌。图4为腐蚀条件为2%氢氧化钠溶液，温度为200℃，应变速率为1×10-6s-1时的断口形貌，在低倍形貌中可见试样有一定程度的缩颈，在局部高倍显微组织中可见韧窝和撕裂棱，还存在一定数量的解理台阶，由于受到腐蚀介质的侵蚀作用[4]，在细小的微观区域还可以发现细小的二次显微裂纹。图5为腐蚀条件为2%氢氧化钠溶液，温度为250℃，应变速率为1×10-6s-1时的断口形貌，在低倍形貌中可见试样断口的缩颈特征消失，取而代之的是较为平整的断口，表明此时的塑性有所降低，虽然在高倍组织中仍然发现有一定数量的韧窝组织，但是这种韧窝较浅，且还存在尺寸较大的河流状解理面，表现出准解理断裂的特征，在局部区域还可以发现穿晶的二次显微裂纹存在。

图6为腐蚀条件为2%氢氧化钠溶液，温度为280℃，应变速率为1×10-6s-1时的断口形貌，在低倍形貌中也没有发现缩颈特征，宏观断口较为平整；高倍组织中可见大小不等、深浅不一的韧窝组织，局部已经产生了较大的显微孔洞。此外，在某些区域还出现了冰糖状的脆性断口特征，其中还伴随着有河流状解理台阶，此时的裂纹主要是穿晶断裂，还可以发现一定的腐蚀产物堆积[5]。在这种腐蚀条件下，304L压力容器已经发生了较为明显的腐蚀，是典型的应力腐蚀开裂特征。图7为腐蚀条件为5%氢氧化钠溶液，温度为280℃，应变速率为1×10-6s-1时的断口形貌，在低倍形貌中断口没有发现缩颈，断口有明显的腐蚀痕迹，局部已经发生了明显的脱落，有腐蚀台阶产生；在高倍组织中可以发现，断口中没有发现韧窝的存在，解理面和解理台阶较为明显，是典型的脆性断裂特征。局部高倍组织中还可以发现穿晶和沿晶裂纹同时存在，此时断裂面已经受到了较为强烈的腐蚀。对比图4~图7的压力容器断口形貌可知，随着腐蚀温度的升高，试样的腐蚀倾向越大，试样的断裂已经逐渐从韧性断裂转为脆性断裂，温度越高，腐蚀开裂倾向越大，尤其是当温度为280℃时已经发生了较为显著的应力腐蚀；腐蚀介质的浓度也对应力腐蚀开裂产生了重大影响，在其他条件一致的前提下，增加腐蚀介质浓度，同样可以加剧应力腐蚀开裂。

3结论

（1）随着腐蚀介质温度的升高，试样的最大应力值和对应的断后伸长率的值都有所降低；随着腐蚀介质浓度的增加，试样的抗拉强度增加而断后伸长率降低。（2）随着温度的升高和腐蚀介质浓度的增加，压力容器断裂的时间不断缩短。（3）随着腐蚀温度的升高，试样的腐蚀倾向越大，试样的断裂已经逐渐从韧性断裂转为脆性断裂，温度越高，腐蚀开裂倾向越大，尤其是当温度为280℃时已经发生了较为显著的应力腐蚀。

参考文献：

[1]付小凤．碱性硫化物环境中建筑用钢的应力腐蚀行为研究[J]．铸造技术，2014，35(8):1647-1650．

[2]MOrmellese，LLazzari．Astudyoforganicsubstancesasinhibitorsforchloride-inducedcorrosioninconcrete[J]．CorrosionScience，2009，51:2959～2968．

[3]MHMoayed，NJLaycock，RCNewman．DependenceoftheCriticalPittingTemperatureonsurfaceroughness[J]．CorrosionScience，2003(45):1203-1216．

[4]NIvan，S．MSergio．Effectofmicrostructureoncorrosionbehaviorofsuperduplexstainlesssteelatcriticalenvironmentconditions[J]．ScriptaMaterialia，2007，57:913-916．

[5]王梅，张义．碱性环境下应变速率对建筑用管线钢腐蚀行为的影响[J]．铸造技术，2014，35(12):2818-2820．

作者：关大毅 单位：中油辽河油田 辽河工程有限公司