应力腐蚀条件下的承压设备去应力设计

　　在静应力和特定的腐蚀环境联合作用下，金属构件发生的脆性开裂过程称为应力腐蚀开裂(stress—corrosion—crack，以下简称SCC1。近年来，随着工业装置的大型化、高温高压，以及高强钢的大量使用，工程应用中SCC事故不断增多．且SCC已成为热能工业、石化行业和其他工业部门的最危险的损伤之一。根据国内外一些着名化工企业的统计数字表明，SCC事件占总腐蚀破坏事件总数的50％左右。而且由于SCC是以低应力脆断方式破坏，容易导致灾难性的后果，所以对SCC的研究及防治有着特别重要的意义。

　　目前，关于应力腐蚀开裂的机理已有了充分的认识。SCC的发生必须要三个条件同时具备，即一定水平的拉应力、特定的腐蚀介质以及对该腐蚀介质具有应力腐蚀敏感的钢材，温度和腐蚀介质浓度也是很重要的影响因素闭。腐蚀和应力的作用是相互促进，不是简单的叠加。如果从这两个因素中任意取消一个，金属的破坏将变得微不足道。

　　目前对于SCC的失效分析是比较多的，笔耕文化推荐期刊，而在防治SCC的方法上，大量的研究与报道集中在采用缓蚀剂对腐蚀介质改性以及用冶金、金属表面改性和热处理办法增强材料抗应力腐蚀的性能上，对于防止造成SCC的一个重要因素应力的产生少有报道。本文试图从锅炉压力容器的工艺和结构人手，进行去应力结构和工艺设计．消除或减小构件的拉应力，从而消除或减少SCC。此外，应力水平降低了，也就减轻了对材料的结构尺寸和性能的要求，从而减少钢耗或可使用中低性能钢．设备成本随之降低。

　　1去应力运行工艺设计有些设备的结构应力与其运行工艺有关。例如管壳式换热器，换热两介质分别走管程和壳程．管壳程的压力、温度、强度的不同导致管板承受不同的应力。若壳程压力、温度、强度分别大于管程压力、温度，则管板承受压应力和向内(换热区)的弯曲应力，反之。管板将承受拉应力和向外的弯曲应力。当然还存在其它几种工艺组合及相应的应力情况。在管板承受拉应力时，换热管也将承受拉应力，这时，无论是管内还是管外，若存在合适的腐蚀性换热介质，而且换热管材料是对腐蚀性介质极其敏感的材料，换热介质又存在汽液两相分界面，再加上合适的浓度与温度，换热管在汽液两相分界面就会发生SCC [31(这与后述的LHS燃油(气)蒸汽锅炉烟管的碱脆是极其相似的)。即使不存在汽液两相分界面，在管与管板连接处无论是胀接还是焊接或胀焊结合，总存在多种应力(胀接应力、焊接应力、管壳程应力、温差应力、应力集中)、温度、介质等多种因素。在这些因素的综合作用下，不可避免地在连接处产生缝隙、腐蚀性介质的浓缩与聚积并发生scct4一。因此，若合理设计管壳程的介质、压力、温度、强度及管束布置，使管壳程压力趋于均衡，控制应力使其处在scc临界应力之下，定能减少scc事故。如此，在设计运行工艺时，可通过调整工艺参数如管、壳程压力、温度乃至互换管壳程介质．以达到消除或降低应力的目的。另外，由于在换热器中管板所处的工况最为恶劣．在常规设计中总是以提高管板的厚度和采用高性能材料来增强和保证管板抵抗应力和应变的能力。若通过运行工艺设计降低应力水平，改善管板工况，则可降低高性能材料的消耗，从而降低成本、提高效益。

　　当然，不能为了单纯降低应力水平而牺牲其它T艺参数，例如换热效率及一些按照运行工艺不能随意变更的参数指标。运行工艺本身是一个复杂的系统工程，也不可能通过调整几个工艺参数就能一蹴而就解决去应力问题。去应力设计除了牵涉运行工艺外，还与材料供应与选择、结构和强度设计、设备制造、贮运和安装、使用与维护等多个环节有着密切的关系。这就需要站在系统工程的高度，综合考虑多种因素，或者以设备的制造成本为目标函数，或者以换热效率为目标函数，或者以应力应变为目标函数．或者以多个因素为多目标函数(不同的设备目标函数可能也不同)，而以强度、可靠性、应力水平和必要的工艺参数为约束函数进行优化设计求得结构、制造和其它工艺参数，从而最优化解决去应力问题。

　　2去应力结构设计

　　2．1去应力结构设计原则在进行结构设计时，尽量使应力分布均匀，避免局部应力集中。例如，不等壁厚的连接应采用缓慢过渡连接．对于卧式设备的开孔和焊缝应避开可能产生拉应力处，对于立式设备尽量不采用悬挂式支座或塔接式裙座。结构设计中还应尽量避免缝隙和可能造成腐蚀液残留的死角。因为缝隙和死角的存在，为有害物质(如C1一、ori-)的浓缩提供了条件。使缝隙中有害物质浓度高于临界浓度，从而在电化学方面满足了应力腐蚀条件。因此焊缝结构应设计成全焊透结构。此外，换热器管与管板的连接应尽量采用胀焊并用结构。

　　2。2锅炉去应力结构设计锅炉在内压以及热应力、焊接残余应力等的作用下，会具备一定水平的拉应力条件。锅炉常见的应力腐蚀为碱脆。

　　由于锅炉在运行前一般都需要用碱液进行煮炉，以及锅水经过离子交换后仅除去了给水的硬度并未能使给水的碱度和相对碱度达到合理值，再加上使用者的不合理操作，因此从一开始锅水的碱度和相对碱度就严重超标。通过合理的结构设计，消除产生碱脆的应力条件和锅水碱浓缩的条件，即使存在锅水超标，也可有效避免碱脆，也即通过去应力结构设计实现应力预防。

　　以某台LHS燃油(气)蒸汽锅炉为例，如图1所示。燃烧器置于锅炉中部f炉胆体上部)，燃烧火焰烟气经辐射换热后流到转烟室，然后经烟管对流换热后排出炉外。烟管没有全埋于水中，上部有一部分裸露于蒸汽之中。锅炉投入运行前按使用说明书先加碱煮炉，煮炉液为NaOH、NaPO 碱液，煮炉后排去碱液，但未进一步用清水清洗锅炉去除残留碱液物。锅炉投入运行近六个月时，从烟管出口处冒出大量水汽。经查，是烟管发生了破裂  经过分析，确认碳钢烟管的破裂是在经过了碱腐蚀和氧腐蚀作用后烟管腐蚀坑处产生应力集中及承载面积减小，最终在工作压力产生的拉应力和NaOH腐蚀介质共同作用下而导致脆性断裂．属于应力腐蚀断裂中的碱脆。原因在于：一是使用者在使用、维护锅炉过程中未或未完全按规范执行，致使在升炉前锅水就存在腐蚀性介质及碱度和相对碱度严重超标；二是该锅炉结构存在先天性缺陷。纵贯锅炉的烟管虽方便了制造，但造成烟管承受拉应力，最严重的是烟管存在汽水分界面，致使烟管既得不到有效利用又造成了腐蚀介质的高度浓缩由于使用此类锅炉的单位通常规模较小，资金有限，生产规模偏低，业主对锅炉安全技术知识的不了解及对安全生产认识上的不足，致使严格执行国家规范有一定的难度。这是笔者提出进行去应力设计的一个客观原因。锅炉压力容器的主要材料是碳钢或低合金钢，金属的碳含量在0．001％～0．25％范围时易产生碱脆。低压锅炉压力容器的换热管基本是10或2O无缝钢管，是典型的低碳钢，碳含量恰就在此范围，是对发生碱脆极其敏感的材料。采用高强钢替代低碳钢和低合金钢更增加了SCC的倾向，且极不经济，是不可取的。显然在消除导致SCC的介质和材料二因素方面存在困难、也是不现实的，因此客观上要求采用去应力结构设计。消除导致SCC的第三个因素也是最重要的应力因素。为此，笔者提出了一种改进结构，如图2所示。