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1、 本文通过近几年开展的奥氏体不锈钢制容器的氯化物应力腐蚀、腐蚀疲劳和结构失稳的失效分析实例,综合运用多种计算、检测、试验手段对奥氏体不锈钢制容器的典型失效事故进行分析,并提出失效事故的预防对策,本文所采用的失效分析方法对奥氏体不锈钢制容器的失效分析工作具有一定的借鉴意义。内容简介内容简介 奥氏体不锈钢因其具有良好的耐蚀性和可焊性而广泛 地应用于核电设备、蒸汽发电厂和石油化工行业。但 国内对奥氏体不锈钢的应用还不够成熟,奥氏体不锈钢 容器的失效事故不断重复地发生,有必要对奥氏体不锈钢容器的典型失效事故进行分析。奥氏体不锈钢的失效模式主要有晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳和结构失稳。概述概述 近年来对
2、不锈钢腐蚀疲劳的研究较多,Byungbok Choi和Dognho Bae在文献中利用直流压降法对敏化的STS304奥氏体不锈钢的腐蚀疲劳进行了试验研究,表明即使结构所承载的载荷小于疲劳极限载荷,在腐蚀疲劳的作用下结构也会失效。文献表明敏化会降低奥氏体不锈钢的腐蚀疲劳强度；在氧化性介质中使用的不锈钢,阳极极化可提高腐蚀疲劳的强度。姜姚丽在文献中对不同批号的904L不锈钢的疲劳性能差异进行了试验研究,表明不锈钢的表面缺陷与疲劳裂纹源的形成密切相关,而内部材质对裂纹的扩展起重要作用。除此之外,奥氏体不锈钢薄壁容器因自重引起的失稳问题也时有发生。容器制造选用奥氏体不锈钢时，应充分要考虑材质组织状况制
3、造过程对材质的影响、腐蚀工况对材质的影响容器自身刚度和外载荷、支撑反作用力对结构的影响,减少奥氏体不锈钢失效模式发生的可能性。以下仅就几个奥氏体不锈钢的典型失效事故进行分析，并提出失效事故的预防对策。奥氏体不锈钢在露点条件下的应力腐蚀问题 应力腐蚀破裂是奥氏体不锈钢极为重要的腐蚀破坏形态。能造成奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的介质有各种氯化物水溶液、高温碱液、硫水溶液、连多硫酸、高温水及蒸汽等,其中发生应力腐蚀破坏的最多的是氯化物水溶液环境。除了干氯化氢环境外,氯离子溶液的存在是发生奥氏体不锈钢应力腐蚀的必要条件,在存在氯化合物的工况下,奥氏体不锈 钢容器的设计和维护应避免 湿态环境,这里应特别注意
4、的是易被忽略的露点工况。北京某车间的裂解炉,结构如图所示,炉内分布多层带翅片盘管,其中上两层盘管材质为奥氏体不锈钢,其余盘管材质为碳钢,盘管内从上至下通入常温石脑油,炉底通入高温烟气并由炉顶的两个排风扇排出。在裂解炉运行九 个月后，顶端的不锈钢盘管存在断口一处（如图所示），该盘管上的部分翅片已松动、脱落，并且在翅片上发现大量裂纹;靠近顶端的碳钢盘管己发生严重腐蚀,其上的翅片被腐蚀成薄片。裂纹形成的机理可描述为:由于盘管烟气侧存在一定量的氯元素，这些氯元素在裂解炉排出烟气温度小于100的时段内在盘管上累积了溶于冷凝水中的氯离子，又由于不锈钢材料和氯离子水溶液环境是易产生应力腐蚀的组合，同时盘管在
5、内压作用下和翅片在焊接残余应力作用下均产生拉应力，从而导致不锈钢盘管由外至内扩展的氯化物应力腐蚀裂纹和翅片上的氯化物应力腐蚀裂纹。为避免同类设备出现类似问题，可从以下三个方面入手来采取解决对策：(1)控 制烟气中氯离子的含量；(2)控制裂解炉排出烟气的温 度，使其高于水的沸点；(3)避免设备非运行期内处于露点工况 与应力腐蚀不同，奥氏体不锈钢的腐蚀疲劳不需要材料一环境的特殊组合，只要存在腐蚀介质，在交变应力作用下就会发生。奥氏体不锈钢在这种介质中可以处于钝态，也可以处于活化态。晶粒度大小对奥氏体不锈钢的腐蚀疲劳有很大的影响，粗晶粒可大大削弱奥氏体不锈钢的耐腐蚀疲劳性能。奥氏体不锈钢材料的敏化，
6、尤其是焊接热影响区的敏化对其耐腐蚀疲劳性能损害很 大 通过弹性有限元应力分析计算(如 图 1 7 和 图 1 8 所 示)，得到出现裂纹部位的最大应力强度为164MPa。而根据标准，管板材料(ooclrN7il4MoZ、锻件)在250下的许用应力【a伪100侧田a。需要指出的是，有限元计算所得的是再 沸器局部一点的应力，并且包含了温差应力分量，因此该应力强度属于一次加二次应力强度。按压力容器分析设计思路，该应力强度应由来限制。因此该部位的一次加二次应力强度值并未超标奥氏体不锈钢在疲劳工况下腐蚀疲劳问题 为避免新上设备出现类似问题，可从以下两个方面入手来采取解决对策：(1)新上设备应采用弹簧支座
7、以降低管板筒体连接处的应力水平，减轻设备的振动，宜在壳程筒体以及物料出口接管加装膨胀节以进一步降低应力、减轻振动。(2)新上设备应严格控制材质：控制管板锻件的晶粒度，采取措施细化晶粒以提高力学性能和耐腐性能,减小管板材料与壳程筒体材料以及焊缝的力学性能差异，建议更换管板锻件和壳程筒体为碳钢材料奥氏体不锈钢自身重力影响下的结构失稳问题 结构稳定性问题是研究系统在外界干扰微小时系统状态的扰动是否也是微小的问题,如果系统扰动发生了较大的变化,则称之为系统的失稳或屈曲。结构只有在压应力的作用下且该压应力 超过其结构刚度所能承受的临界压应力时，才会发生失稳。是否发生失稳与结构的刚度、外界作用力和反作用力
8、有关。奥氏体不锈钢因其造价比普通碳钢及低合金钢高,所以在用作容器设计时的壁厚往往比较薄，若无必要的加强筋来增加结构的刚度,则易发生失稳,适当地改善结构的支撑形式也可防止失稳的发生。为避免同类容器出现类似问题,可从以下两个方面入手来采取解决对策:(1)在不改变原设计的情况下,增加水泥墩对容器的支撑面 积 以 减 小 容器端面 附 近的支撑反作用力,从而降低该容器端面的压应力,防止结构失稳的发生。(2)更改该类容器的设计,增加适当的加强筋以增加结构的刚度,防止结构失稳的发生*。结 论 及 建 议 本文运用综合的分析手段对奥 氏 体 不 锈 钢 几个典 型失效事 故 进行了分析，对奥氏体不锈钢制容器的制造和使用提出以下几点建议:1.露点工况下的奥氏体不锈钢应力腐蚀易被忽视,应采 取有效手段使其在运行和检修期间避免处于露点工况;2.应对疲劳工况下的奥氏体不锈钢的晶粒度和表面缺陷进行控制,并关注因焊接造成的不锈钢材质的敏化;3.薄壁奥氏体不锈钢容器的结构失稳性问题应予以关注,改变自身刚度或改变支撑形式都可以 避免结构失稳的发生。