摘要：采用慢应变速率应力腐蚀方法，研究了化工压力容器用钢在不同温度和不同浓度NaOH碱性溶液中的应力腐蚀行为，并对断口形貌进行了观察。结果表明，在腐蚀介质浓度和应变速率相同的前提下，溶液温度的升高会使得压力容器用钢的断后伸长率和抗拉强度逐渐降低，同时会使压力容器用钢的应力腐蚀断裂时间逐渐缩短。在腐蚀溶液温度和应变速率相同的前提下，腐蚀介质浓度的提高会使试样的断后伸长率降低，同时应力腐蚀断裂时间逐渐缩短。在高温NaOH碱性溶液中化工压力容器用钢发生了沿晶和穿晶开裂，断口中还可见明显的腐蚀产物。
关键词：化工压力容器；刚应力腐蚀；研究
1实验材料与方法
化工压力容器用钢的实测成分测试试样取自腐蚀失效材料，结果如表1所示。应力腐蚀试样尺寸为Φ4mm×52mm，应力腐蚀试验采用SCNM-15型慢应变速率腐蚀试验机进行测试，其中，高压釜最高工作稳定为300℃、最大工作压力为50MPa，腐蚀介质为2%和5%的NaOH溶液（去离子水和NaOH分析醇配制），模拟实际工况条件下的慢应变速率应力腐蚀试验方案如表2，应变速率为1×10-6s-1。
表1化工压力容器用钢实测化学成分w(%)
采用奥林巴斯GX51型光学显微镜分析显微组织，腐蚀剂采用FeCl3+HCl水溶液。断口形貌采用TESCANLYRAFIB电子显微镜观察。
表2化工压力容器用钢的慢应变速率应力腐蚀试验方案
2试验结果及讨论
压力容器用钢组织由奥氏体和少量碳化物组成，晶粒内部存在少量孪晶，是典型的奥氏体不锈钢组织，如图1所示。这种奥氏体不锈钢无磁性，具有较高的强度和塑性。
图1压力容器用钢的金相组织
图2（a）为不同温度条件下试样在2%NaOH溶液中的应力-断后伸长率曲线。可以看出，在介质浓度和应变速率相同的前提下，腐蚀介质温度的升高会使得压力容器用钢的断后伸长率和抗拉强度均呈逐渐降低趋势，由此可见，腐蚀介质的温度对试样的抗拉强度和断后伸长率有重要的影响。图2（b）为不同NaOH溶液浓度条件下280℃时的应力-断后伸长率曲线。在相同的腐蚀介质温度和应变速率下，腐蚀介质浓度的提高会使得试样的断后伸长率降低，但是抗拉强度没有发生明显改变，由此可见，腐蚀介质的浓度也会对材料的应力腐蚀敏感性造成一定影响。
图3（a）为不同温度条件下2%NaOH溶液中的应力-断裂时间曲线。可以看出，在介质浓度和应变速率相同的前提下，腐蚀介质温度的升高会使得压力容器用钢的断裂失效时间逐渐缩短，200℃时试样的断裂时间为116h，280℃时试样的断裂时间为86h。由此可见，腐蚀介质的温度对试样的断裂时间有重要的影响。图3（b）为不同NaOH溶液条件下280℃时的应力-断裂时间曲线。可见，在相同的腐蚀介质温度和应变速率下，腐蚀介质浓度的提高会使试样的断裂时间缩短，但是抗拉强度没有发生明显改变，2%NaOH时试样的断裂时间为86h，5%NaOH时试样的断裂时间为57h。由此可见，腐蚀介质的浓度也会对材料的应力腐蚀断裂时间造成一定影响。
图4为化工压力容器用钢在2%NaOH、应变速率为1×10-6s-1、200℃的应力腐蚀断口形貌。从低倍宏观形貌中可见，应力腐蚀断口凹凸不平，并有明显缩颈现象，见图4(a)。高倍形貌中可见断口中心主要以韧窝和撕裂棱为主，在靠近试样边缘区域还可见解理断裂特征，见图4(b)。部分区域还附着有部分腐蚀产物，见图4(c)，整体表现为脆性断裂的特征。此外，局部区域还出现了二次显微裂纹，可见显微孔洞的存在，见图4(d)。
图2 应力与断后伸长率的关系曲线
图5为2%NaOH、应变速率为1×10-6s-1、280℃时的应力腐蚀断口形貌。低倍形貌中可见应力腐蚀断口没有明显缩颈，见图5(a)。断口中心区域可见细小韧窝和显微孔洞，见图5(b)。断口边缘区域出现了明显的河流状花样，局部还伴随着穿晶断裂特征和腐蚀产物的堆积，见图5(c)。此外，局部还存在解理台阶和显微裂纹，见图5(d)。这表明，在这种腐蚀条件下，材料发生了明显的应力腐蚀。
图3 应力与时间的关系曲线
图4 2%NaOH、温度为200℃时试样的断口形貌
图6为2%NaOH、应变速率为1×10-6s-1、280℃时应力腐蚀断口形貌。低倍形貌中可见应力腐蚀断口表面腐蚀较为严重，局部区域还可见明显的二次裂纹，见图6(a)。断口中心区域可见被拉长的韧窝和撕裂棱，见图6(b)。边缘区域为脆性断裂特征，可见河流状花样，见图6(c)。此外，在靠近边缘区域还有腐蚀产物聚集，见图6(d)，断口表现为沿晶和穿晶开裂共同存在的形态。相对于图5的断口形貌而言，由于腐蚀介质NaOH溶液浓度的提高，断口中的腐蚀产物更多，应力腐蚀开裂程度加剧。
3讨论
（1）在介质浓度和应变速率相同的前提下，腐蚀介质温度的升高会使得压力容器用钢的断后伸长率逐渐降低，抗拉强度呈逐渐降低的趋势。在相同的腐蚀介质温度和应变速率下，腐蚀介质浓度的提高会使断后伸长率降低，但是抗拉强度没有发生明显改变。
（2）在介质浓度和应变速率相同的前提下，腐蚀介质温度的升高会使断裂时间逐渐缩短，腐蚀介质温度为200℃时试样的断裂时间为116h，而腐蚀介质温度为280℃时试样的断裂时间为86h。
（3）在相同的腐蚀介质温度和应变速率下，腐蚀介质浓度的提高会使断裂时间缩短，但是抗拉强度没有明显改变，腐蚀介质为2%NaOH时试样的断裂时间为86h，5%NaOH时断裂时间为57h。
图5 2%NaOH、温度为280℃时试样的断口形貌
图6 5%NaOH、应变速率为1×10-6s-1、温度为280℃时试样的断口形貌
结束语
由于化工压力容器长期服役于温度、压力以及腐蚀介质环境中，对压力容器选材提出了较高的要求。因此，压力容器用钢必需满足强度、塑性和介质相容性要求，同时还需具有良好的抗应力腐蚀能力，这样才能保障压力容器的安全和稳定性。本文对比研究在应力腐蚀介质条件下的腐蚀介质浓度、温度等变化对化工压力容器用钢的应力腐蚀行为，以期找出影响化工压力容器用钢应力腐蚀的因素及其作用规律，对提高化工压力容器等设备的使用寿命具有重要的意义。
参考文献
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论文作者:王少帅,周飞
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/10/1
标签：应力论文; 介质论文; 断口论文; 试样论文; 压力容器论文; 形貌论文; 温度论文; 《基层建设》2018年第23期论文;