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金属材料的应力腐蚀和应力腐蚀开裂(SCC),该如何进行检验?长期有效

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信息编号:2022064211 摩尔股份发布

2022-06-21 15:32:13

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杨工 陕西省西安市

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金属材料的应力腐蚀和应力腐蚀开裂(SCC),该如何进行检验?


应力腐蚀作为引发构件失效的主要原因之一,无明显征兆,却往往给工程带来灾难性损失。因此非常有必要对可能在相关环境下工作的材料进行应力腐蚀性能试验,并以其试验数据用以作为该材料在设计、生产和投入使用前应力腐蚀性能指标的参考。

SCC:应力腐蚀开裂,是在有水和H2S存在的情况下,与局部腐蚀的阳极过程和拉应力相关的一种金属开裂,是应力与腐蚀介质协同作用下引起的金属断裂现象。机械设备/零件在拉应力和腐蚀介质的共同作用下,将出现低于材料极限强度的脆性开裂现象,导致设备和零件失效,这种现象称为应力腐蚀开裂(SCC)。

一、什么是应力

应力是物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时,在物体内各部分之间用以抵抗这种外因的作用,并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置而产生相互作用的内力。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力,同截面相切的称为剪应力或切应力。

二、什么是应力腐蚀

应力腐蚀是指材料、机械零件或构件在静应力(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象,即由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂。

应力腐蚀一般认为有阳极溶解和氢致开裂两种。常见应力腐蚀的机理是:零件或构件在应力和腐蚀介质作用下,表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解,产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多,阳极的电流密度很大,进一步腐蚀已破坏的表面,再加上拉应力的作用,破坏处逐渐形成裂纹,裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展,而且还能穿过晶粒发展。


三、应力腐蚀性能检验

应力腐蚀作为引发构件失效的主要原因之一,无明显征兆,却往往给工程带来灾难性损失。因此非常有必要对可能在相关环境下工作的材料进行应力腐蚀性能试验,并以其试验数据用以作为该材料在设计、生产和投入使用前应力腐蚀性能指标的参考。

目前国际公认标准金属材料应力腐蚀是《BS EN ISO 7539 Corrosion of Metals and Alloys-Stress Corrosion Testing》合订本,我国GB/T 15970《金属和合金的腐蚀-应力腐蚀试验》则等同采用ISO标准,该标准中给出了多种应力腐蚀评价方法,归纳起来主要有3种试样类型和3种加载形式:试样类型即光滑试样、带缺口试样和预制裂纹试样;加载形式即恒位移、恒载荷和慢应变速率。

四、SCC三个主要特征:

1. 敏感材料。俗话说,苍蝇不叮无缝的鸡蛋,要生发生应力腐蚀开裂,首先得是具备敏感性的材料。材料具有敏感性给我们的提示是,在一些可能发生应力腐蚀开裂的工况环境,选材要慎重。如304等奥氏体不锈钢在含有氯的环境服役,应力腐蚀开裂是尤其应该注意的问题。奥氏体不锈钢是面心立方金属,面心立方金属尤其容易发生应力腐蚀开裂,这是晶体结构决定的。

2.容易引起应力腐蚀开裂的环境。即使材料敏感,没有导致应力腐蚀开裂的介质也是不会发生应力腐蚀开裂的,它好比硬币的A/B面。环境介质也是应力腐蚀开裂的重要条件。

3.足够的拉应力。通常认为静态拉应力是导致应力腐蚀开裂的必要条件。有人会问,那要是交变载荷呢?我认为可能要归功于腐蚀疲劳了。为什么说发生应力腐蚀开裂需要足够的静态拉应力呢?因为它需要满足腐蚀状态下的临界应力强度因子KISCC。

五、SCC试验(模拟工况)

试验标准:NACE TM0177-2016;试样类型:按照ISO7539-2标准采用四点弯曲试件;试验溶液:模拟现场介质溶液(初始PH=3~4);试验加载应力:=80%AYS(实测屈服强度);HS分压:3.4MPa;CO2分压:2.4MPa;试验温度:30℃;试验频次:仅在制造工艺验证时;试验持继续时间:720h;验收标准:试件的受拉伸面在低倍显微镜下放大10倍检查,试件受拉伸面无可见SSC裂纹;试验报告:试验报告中应注明试验前后溶液的PH值。


六、应用领域:

石油管道、压力容器、锅炉、石油钻杆、阀门、法兰、管件、石化配件等。

 

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