浅述蒸压釜裂纹产生的原因

摘要：本文主要论述了裂纹成因，同时经过分析得出结论这是一种危险性的应力腐蚀和腐蚀疲劳共同作用下产生的裂纹。

关键词：蒸压釜 裂纹 应力腐蚀 腐蚀疲劳

1、前言

蒸压釜作为建材等行业生产中的关键设备，虽然依据R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》的分类仅属Ⅰ、Ⅱ类压力容器，但从其操作的工艺特性来讲则属于承受交变载荷、频繁间歇操作的压力容器，由于其体积较大，运行时储存的能量大，因而一旦发生爆炸事故必将造成十分严重的后果。特别是近些年来，随着蒸压釜型号和数量的增加，事故发生率也较以往有所上升。这就更加要求我们在设计、制造的过程中慎之又慎，提高质量意识.严格按照有关标准、规范执行，及时杜绝一切安全隐患，对蒸压釜安全、质量的每一个环节把好关。

2、裂纹成因分析

2.1 裂纹成因的判定

蒸压釜裂纹主要分布于蒸汽冷凝液较多也较容易浓缩的容器中下部焊缝应力集中部位（焊缝余高较大，焊缝成形较差，焊缝较宽大、补焊等部位），裂纹短细，有分支，呈网状，裂纹内部有腐蚀产物。根据裂纹产生的部位和形貌特征，可以初步判定，该裂纹是由应力腐蚀和腐蚀疲劳的共同作用产生的，是应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹。

2.2 裂纹产生的机理

2.2.1 应力腐蚀裂纹产生的机理

构件在拉应力和腐蚀介质共同作用下产生的开裂称为应力腐蚀开裂（SCC）。金属的应力腐蚀开裂往往在应力远低于抗拉强度而介质腐蚀又很轻微的情况下发生，开裂之前，金属没有明显的变形或其它明显可见的宏观征兆，因此常被忽视而疏于防范，以致酿成恶性破坏事故。应力腐蚀开裂必须具备一定的条件才能发生，它包括三个要素：特定的敏感金属材料、特定的介质环境、处于拉应力状态。

1） 特定的敏感金属材料。金属材料的成份，组织和热处理状态决定了材料应力腐蚀的敏感性。

2） 特定的介质环境。对一定金属材料来说，只有在特定的介质环境中才能发生应力腐蚀开裂；金属与特定介质形成对开裂的敏感的组合。

3） 处于拉应力状态。拉应力俞大，材料产生应力腐蚀开裂的机率俞大，构件断裂的时间俞短。

应力腐蚀开裂的机理是：对应力腐蚀敏感的材料，在特定的腐蚀介质中，其表面会形成一种保护膜，这样，如果没有应力作用，就不会发生腐蚀破坏。如果有应力作用，特别是残余应力叠加或存在应力集中的部位，就会产生局部滑移，产生滑移台阶，破坏保护膜，露出新的金属表面，由于滑移台阶附近的滑移带中堆积了大量的位错，甚至伴随着孔洞，少量合金元素原子和杂质原子在滑移带上析出等，而使滑移台阶处金属活化，加速化学溶解，并形成电化学腐蚀的阳极，保护膜未破坏区就成为阴极。在发生表面滑移的阳极溶解时放出的电子直接流入阴极，被电解质的 H+所吸收而成为 H，这样促使电子不断流动，加快腐蚀速度，就造成吸氢腐蚀。

在焊缝表面或射线底片上观察，裂纹可能呈断续存在，近似横向居多，应力腐蚀裂纹多呈网状开裂或龟裂。 从断面金相观察，应力腐蚀裂纹形态犹如树木根须，内表面向金属内部纵深发展，细长而带有分枝是其典型特征。从断口观察，断口处仍保持金属光泽，有时可见典型的人字纹失稳扩展的脆性断口特征。

根据不同材料和不同腐蚀介质，应力腐蚀裂纹可能沿晶断裂，也可能穿晶断裂，还可能是沿晶和穿晶混合断裂。断口上附有腐蚀产物。

2.2.2 疲劳裂纹产生的机理

在腐蚀与交变应力共同作用下产生的裂纹扩展称为腐蚀疲劳或疲劳腐蚀。腐蚀疲劳裂纹常出现在构件的高应力区内，特别是应力集中部位。腐蚀疲劳的断口不仅有裂纹扩展区和最后断裂区，在裂纹扩展区还有腐蚀产物存在。

由于裂纹的存在，腐蚀介质进入裂纹内部，产生新的腐蚀，引起应力集中，在交变应力作用下，裂纹扩展，如此循环反复，裂纹不断扩展，当扩展到一定程度时，导致构件断裂。

2.3 蒸压釜产生应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹的可能性

2.3.1 产生应力腐蚀开裂的可能性

加气混凝土砌块也叫加气砖，是在钙质材料（如水泥、石灰）和硅质材料（如砂子、粉煤灰、矿渣）的配料中加入铝粉作加气剂，经加水搅拌、浇注成型、发气膨胀、预养切割，再经高压蒸汽养护而成的多孔硅酸盐砌块，是一种具有防火、隔音、保温、抗震的环保建筑材料。发气剂又称加气剂，是制造加气混凝土砌块的关键材料。发气剂大多选用脱脂铝粉。掺入浆料中的铝粉，在碱性条件下产生化学反应产生的氢气形成许多小气泡，保留在很快凝固的混凝土中，这些大量的均匀分布的小气泡，使加气混凝土砌块具有许多优良特性。

由于加气砖原材料中含有 H2S、NaOH、SO2等杂质，这些杂质在高温蒸汽的作用下，易挥发并溶解在冷凝水中，冷凝水沿釜壁流下，水份蒸发，形成有一定浓度的 NaOH 溶液和 H2S 溶液。这些溶液与低合金钢 16MnR 形成对应力腐蚀开裂敏感的组合。

因此，蒸压釜具备产生应力腐蚀开裂的三个要素：

1） 特定的材料：低合金钢 16MnR；

2） 特定的介质环境：NaOH 溶液和 H2S 溶液（经对冷凝水抽样分析：M-碱性度 15.7mmol/L，氢氧化钠含量：0.54g/L）；

3） 拉应力状态：工作压力产生的薄膜应力，焊接残余应力、构件不连续产生的应力集中等，这此应力叠加后形成比工作负荷产生的薄膜应力大得多的拉应力。

所以，蒸压釜有产生应力腐蚀裂纹的环境条件。因此可以认为，蒸压釜产生应力腐蚀开裂是完全有可能的。

2.3.2 产生腐蚀疲劳开裂的可能性

由于加气砖原料中有许多杂质，主要原料和杂质与高温蒸汽反应，会产生 NaOH 溶液、H2S溶液、SO2-3溶液、CO2-3溶液等腐蚀性介质（用户对冷凝水进行过分析，确认冷凝水中含有 NaOH、KOH、H2S、SO2等杂质），这些腐蚀性介质渗入到应力腐蚀的裂纹中，产生新的腐蚀，蒸压釜生产周期为 4～6 h，存在交变应力，因此，蒸压釜在升压降压的交变应力和腐蚀介质的作用下，在应力集中部位产生腐蚀疲劳裂纹是完全可能的。

综上所述，结合蒸压釜裂纹产生部位和形貌特征，笔者认为该蒸压釜裂纹是应力腐蚀和腐蚀疲劳共同作用的结果，是一种危险性缺陷。应加强检验，防患于未然。

3、结束语

随着建筑行业的不断发展，加气砖和管桩生产企业的不断增加和产能的不断扩大，蒸压釜数量也越来越多，但是，企业对蒸压釜的管理却处于薄弱环节，主要是因为，一方面蒸压釜属于一类压力容器，人们对这种容器的安全性不够重视，另一方面，使用单位管理水平参差不齐，大多没有专业管理人员。

为保证蒸压釜的安全运行，监察机构应加强对生产企业的管理力度，督促企业加强对蒸压釜的维护管理，提高企业的综合管理素质，检验机构应加强对蒸压釜的定期检验工作。在蒸压釜检验中，应特别注意以下事项：

1） 加强内表面的磁粉探伤检查，检查部位应选择釜体中心线以下的纵环焊缝，特别是底部冷凝液聚积的焊缝。此外，焊缝成形不良，补焊部位应重点抽查。

2） 对快开门安全联锁装置应重点检查，必要时应进行模拟试验，功能不全的应修复。

3） 加强与企业生产管理人员的勾通交流，提高他们的管理意识和管理水平，严禁物料车架或管桩等与釜体磨擦造成内壁损伤。

4） 蒸压釜检验周期一般不宜超过 3 年。特别是服役年限超过 10 年的蒸压釜，应适当缩短检验周期。

参考文献：

[1]任凌波，任晓蕾.压力容器腐蚀与控制[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]强天鹏.压力容器检验[M].北京：新华出版社，2008.