应力腐蚀开裂探讨

工业及工程技术

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２｝ｔ（－－－Ｊｌ峡）镕业有ｍ套司河南三门峡４７２３００

１，引言

开曼铝业单管加热器弯管和法兰连接焊缝开裂，碱性料浆泄露，企业不得不紧急停车，茫至造成人员伤亡醋备损坏事故，经济损失十分巨人。二门峡市锅检所和企业技术人Ｈ多改进行分析．讨论．井垂托巾船重１‘７２５所试验测试与计景技术研究中心对弯管焊缝

进行戋鼓分析，

致认定原困为应力腐蚀，ｒ裂．井提出了整改措施一２．差黧蔫黎管艄黧㈨ｍ㈣㈣㈣口开曼铝业

ｌ至２００８年１月在四条高压溶出线中投用四

ｆｌ－ｆ｛６００２ｉｆ现筮上样试块３氧现上镜微显在后光抛经样试嚣嵩昙罂墓冁：薯徽蓉黯％箍。勰凝搿；

鬟喜嚣黧等２：娄豢）‘ｉ度约““。蚰’焊缝阳髓边缘向法兰中扩８

鬻黑器一３、奄警焊缝失效分析

经对上述裂纹彤貌特征存在邬位以厦单管弯又Ｉ作状忐等的

分析．初步判断裂纹为应力脯蚀』裂。为了进步确认，氍们叉切取

２段失效委管委托中船晕１７２晰试验测试与【｝世技术研究中心对弯

管焊缝进行失散分析。

３１熔覆金属化学成分

对悍缝馏敷盘属进行Ｉｔ＠分析、其结果见表１。符台技术要求。

３０６万方数据

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２裂纹产生邬住及扩展方向

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３４盘相维织

对试样侵蚀后观察侵蚀态形貌，焊缝组织为铁素体＋珠光体－其中ＧＴＡｗ十ｒ底甚焊缝盘相组织为铁素体＋珠光体，晶粒尺寸比较

小．见国９。ｓＭＡｗ焊缝§撮为针状铁素体十昧光俸，见国ｌｏ。焊缝金

黼目有

荔壳篙０组飒状态。同时在裂纹扩展医可以制明显的麝蚀产

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觚亲嚣譬嘉馨垃搛蹄扩展区进行观氯撇张有多４

（Ｗｔ％】为１６撕，ｓ元素质量酚比为０

２５％，ｃ】元素质量百舟比为

０１６％，见国１３。

３．６分析结论

裂纹产生的原因为应力腐蚀开裂。

４．讨论

４１应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂是金属在应力和腐蚀介质协同作用下发生的破裂，必须在以下三个条件的共同作用下才能发生（１）敏感的金属ｔ（４特定的腐蚀介质环境?（３）处于应力状忐下，特别是拉应力分量的存在。其中敏感的金属和特定的介质可以认为是～个应力腐蚀对，即只有特定的金属在特定的介质中才能发生应力腐蚀开捌。而应力包括工件在载荷下的拉应力和材料在加工过程中产生的残余应力、焊接应力，组织相变时产生的组织应力，以及工作温度梯度所造成的热应力等。

应力腐蚀裂纹是电化学腐蚀的一种类型。盘属材料浸凡水中或其它电解质溶液巾时．园材料不同部位电槛电位不同．形成阳极区和阴极区，在局部原电池作用下便发生腐蚀，称为电比学腐蚀。电比半腐蚀发生时，在阴槛区金属经离于状态溶出（称为阳极溶解）：

ｆ＿Ｆ２＋ｈ

而在阴极区，因为腐蚀介质的不同，一般发生氧的离子化和氢还原两种阴极反应

４．１！Ｂ…Ｈ：Ｏ＿Ⅲ

Ｉ氧的离子化

ａ、在中性或被性ｉ窑液中：

ｂ、在酸性ｉ窑液中：

…｛Ⅳ～２Ｊ，０

４Ｈ…Ｈ

Ｉ

２氡原子还原～一在酸性溶液中

万方数据

工业及工程技术

其中，困为在水和所有的溶液中几乎部含有氧．所以氧的离千他是主要的阴投反应类型。

应力腐蚀丹裂发生的过程为：对应力腐蚀敏感的台金材料在特定的弱腐蚀介质ｑ，，首先在表面形成一鹾雠护臃产隹钝化．使盘ｊ茸不致进一步腐蚀。当有应力作用时，则可使应力集中的局部地区的保护膜破裂，显露出金属的新，ｆ表面。这十新鲜表面在电解质溶液中电韫相对较低，瞧为阳极，而其余具有保护髅的金齄表面恒成为阴极，两者组成。个腐蚀微电池．山于电化学反应作用，阳极金属变成正

离千（Ｍ—ＭｈⅧ）进人介匝而产生ｍ极溶解，从而拒金属表面形成

蚀坑。拉应力除捉成局部地Ｉ五保护膜破坏外．更ｔ要的是在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位降的更低，加速阳极金属的溶解。同时．腐蚀产物往裂纹ｔ｝，的楔八作崩，也导致裂纹扩展。如果裂纹前端的应力＿直存在．电化学反应便不断进行，钝｛ｔ帻不能

目复．裂自嘴向纵潍发展。即成力阳极溶解开裂（ＡＰＣ）。与此同时．

电子ｅ在盒属内部直接从阳极流向阴极（即金属表面）。如果金属表面存在介质中约Ｈ＋，邢幺电于ｃ与Ｈ＋结合成氲原子Ｈ向金属中扩散，井在位错、滑移等微观缺陷处聚集．造成脆化，印应力阴极氢隐开裂

（¨Ｅｃ）。

４．２碱溶液中的应力腐蚀

碳钢和低台盘钢在碱溶液中应力府蚀开裂的机理是碳钢在高温下与水蒸气发生化学反应．产生阳极溶解：

３Ｆ十４Ｈ２０＿Ｆ１ｑ＋４１１２

３Ｅ—ｍ反戊过程中，氯韫化钠起催化怍用，其过程是：

ａ，∞，＋２Ｎ，…Ｈ

：；Ｆ暑４”ＨｊＯＨ！；；芝嚣：＋‘。。…÷“

３ｆ＋

１斗ｆ）ｑ＋４Ⅳ２

Ｔ＊ｇ

反应生成的，，ｎ覆盖在锕的表面，形成一层保护膜。但是在局郎区壤，过高的麻力使选层保护膜遭到破坏．也可以是由于ＮａＯＨ在表面的亩集，或是它们的联合作用．使Ｆ．ｑ垃ｉ容解。

碱溶液中的血力腐蚀开裂首先必须有高温浓碱液。从图１４可以看出，低碳钢在碱溶液中的溶解－断裂过程盛一种热激活过程。ＮａＯＨ的浓度越高，应力腐蚀敏赡性越大，当ＮａＯＨ质量分数低卡５％时，不发生应力腐蚀，Ｆ裂，而随温度的增高．应力腐蚀敏感性也相应增大。在低于图中ＡＢ线以下的医域则不发生应力腐蚀开裂。

其次．低碳钢在碱ｊ容液小的应力断裂时间随应山水平的增加而降低。而芊Ｅ盘属学闻卖方面，‘般认为低碳钢在碱溶液中的应力开裂的敏嫉性是因为碳氪和其它有害杂质硫磷．砷等在晶界偏析引起的。碳、氨和其它有害杂质在晶界的偏析，以及品牡的租太均增加应力开裂的敏膳性一而在低碳钢的碳含盐范围内，随含碳量的增加，应力腐蚀开裂敏嬉性增加。

４３单管加热８的应力麝蚀开裂

如前所述，上述焊缝熔疆金属化学成分分析合格，ＧＴＡＷ打底层为细小的铁素件加珠光体组织．ＳＭＡＷ＇Ｉ＃缝为针状铁素体加珠光俸组织．台柑蛆±｝｛来见异常，而在裂纹褥医和扩展区断ｌ：：１：菱面均可见以氧化物为主的腐蚀产物，符合３Ｆｅ＋４Ｈ：Ｏ—Ｆｔｑ＋４Ｈ：的化学方程式。

浚氧化铝厂弯管中的工作介质为高温高压高碱（苛性碱浓度２２０９几）的碱性料浆．在工作状态下，弯管焊缝受到工作应力热应力、弯管和浩兰加Ｉ残杂应力、焊接残余应力等多种应力，这些应力在管内肇焊缝与母材交界处集中和叠加，同时．园管内壁焊缝余高的存在，高速运动的料浆极易在面对其运动的余高一删冲剧出沟槽（见图４焊缝区裂纹２），在沟槽康郭产生碱浓度的育墼和更大的应力集中，形成初始的腐蚀机械性裂纹．进而产生应力腐蚀开裂。而单管加热器内管直管腔因在高温下可向两端膨胀，受力状况较好，

３０７

同时加工残余应力也比煨制成型的ｕ形弯管明显要小，所以，该氧化铝公司全郝四套单管加热器直管段只在少量端郄与弯管法兰焊接接头中出现开裂现象，出现几率明显低于ｕ形弯管接头焊缝?而关于只在弯管接头法兰侧｝廿现横向裂纹，可能－与１６Ｍｎ材料强度级别较高有关，同时也与采取局部消应热处理，法兰侧消应力效果劣于管侧。

４．４改进措施

根据以上分析，在该氧化铝厂三系列单管加热器改造工程中，我们提出以下建议并对设计文件进行更改：（１）钢的强度越高产生应力腐蚀开裂的倾向越大，在单管弯头检修过程中，也发现弯管接头１６Ｍｎ法兰侧出现横向裂纹，而ＴＵ４２Ｃ钢管侧未见横向裂纹。建议单管加热器内管不再使用图纸要求的ＴＵ４２Ｃ钢，改为耐应力腐蚀开裂效果更好、造价更低的２０＃钢材质。（２）基于相同原因，堵板、法兰等同样采用２０钢锻件。（３）焊接使用Ｊ４２７焊条，弯管焊后内壁焊缝余高磨平。（４）ｕ形弯管焊后整体热处理，热处理温度由５８０：：ｔ：２０。Ｃ提高至

６３０＂Ｃ。

５．结语

应力腐蚀开裂在氧化铝生产过程中十分普遍，通过单管加热器弯管焊缝进行失效分析，提出了防止和改进措施，通过两年的实践，效果良好，仅不再使用ＴＵ４２Ｃ钢（法国）就住后期的工程建设中节省了大量的资金。

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ｏＯＯ上接２２８页Ｊｆｆｏ

５．结语

（１）长１０沉积期，南、北区块的水动力条件有别，造成南区、北区砂体发育特征、岩相类型存在一定差异。北区水动力条件较强，砂体较发育，砂岩粒度较粗，以中砂岩为主，其次是细砂岩，少量（含砾）粗砂岩ｔ南区水动力条件较弱，砂体欠发育，砂岩粒度较细，主要为细砂岩。

（２）北区与南区砂岩的岩石学特征存在一定差异，影响了成岩产物的类型与分布特征，以及成岩作用对砂岩孔隙结构与储集性能的演化，最终导致北区与南区储层的储集物性与开发效果的不同。

（３）粒度较粗、结构成熟度较高的长１０砂岩（主要分布于北区）其原生粒Ｊ．开Ｊ孔较发育、并为溶蚀作用奠定厂基础，其次生溶孔（粒内溶孔、粒间溶孔）也较发育，孔隙间的连通性较好，储层的储集性能

较好。参考文献

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胡鹏，陕西西安人，西北大学地质学系在读硕士研究生，从事石油地质学研究。

３０８

万方数据

ＯＯＯ上接２８６页

意的造型，而这些造型则成为了很多工业产品．Ｉ－＿的画龙点睛的图式，这样不仅使得产品外观更具民族性和个性化，也提高了产品的文化品位。（６）节日民俗类的有：甲马纸、鞭炮，舞狮、饺子．月饼、元宵，棕子、糖葫芦、对联与横批、门神与财神、灶王、菩萨金身、福字、年画等。（７）民间工艺类的有：蜡染和扎染、剪纸、风筝、刺绣、泥人面塑、团花．祥云，蜻蜓眼．脸谱、皮影等。在２００８年北京奥运的火炬设计中，就是使用了祥云作为主要构成元素，使中国的传统元素展现在世人的面前。（８）建筑类的有：城墙，碑林、牌坊、园林．寺院、钟楼、佛塔、亭台楼阁、四合院等。（９）思想文化类的有：儒家、道家、释家、诸子百家等。其中儒家思想对中国几千年的发展有着指导性意义。而依附这些思想所产生的各类具体器物，符号，形象都成为了中国文化的重要组成部分。

３．中国传统元素在工业设计中的创新

在物质与文化大发腥的当代，人们在满足了最基本的物质使用要求后，开始进一步追求更好的精神和文化享受。简陋的产品造型，没有内涵的设计内容已经无法迎合时代的要求。在激烈的商品竞争中，质量和功能不再是消费者追求的唯一，产品的文化内涵和民族特色的传承性和亲和力成为竞争手段中新的给力方式，传统的概念也不ｆ｜ｆ是以前狭隘的单纯继承。其实每个时代的创新，在经历了历史长河的磨砺后都会成为传统。而这种在创新的基础上保留下来的传统，无论是在传承性和创新性上，都能赋予当代的工业设计师以创作灵感，从传统中寻求创造潜能，读取想像力和智慧，进行现代工业设

计显得尤为重要。

３．１视觉美的创新

设计追求的就是。新奇特”，在设计界里一致公认人有。向异性”，喜新厌旧是人们消费的惯性，缺乏了新颖的设计理念，是不会为消费者所接受的。而传统视觉元素作为现代设计手法上可以进行创新的一个切入点，其内涵的意义也不仅仅是在以前所简单的直白表现，在与现代工业设计理念相结合后，又具有了更强的寓意指向性。对传统视觉元素再次符号化，通过对某一具象进行创造，而不是不直接照搬旧形象的实物或传统抽象的符号艺术形式，而是加入现代的设计理念和规则加以改造，这样表现便具有了更加深远、更加隐喻的象征意味，同样也可以传达现代人对美好事物心存向往的思想，使现代设计多了．一种文化气息和亲和力。

３．２中国文化的创新

从历史演变上来看，中国传统元素的风格变化因为地域的宽广｝区域文化的差别；主体文化的交叠以及政治、社会等因素的影响，发展是较为缓慢的，但这并不是代表中国传统元素被忽视或反对。实际上，在当代社会的不断发展进步与开放发达的推动下，传统元素也在不断的个性化。尤其是在近几年，当中国文化越来越被世界接受的时候，传统元素更是住创新中发展前进。其实只要留心观察近期的现代工业设计作品，就不难看到在现代艺术表现因素运用时，有很多的设计师非常重视将中国传统元素与现代设计理念进行融合，体现出了中国传统文化与现代商业、文化的和谐对话

４．结语

目前，国内的工业设计虽然是设计行业中起步较早的一个专业，但对比国外，无论是法国的精巧典雅；意大利的浪漫欢快，美国的热情奔放。英国的简约古典。日本的小巧实用，还是德国的理性严谨，都有着本国鲜明的设计特点，从而使得他们的产品在国际上占有重要的地位。相对而言，在工业设计发展还不够成熟的中国却鲜有自己的设计风格和特点，如果我们不对自己的传统文化进行更加深刻的研究和理解，那么我们的产品设计将离民族性越来越远，在国外设计风格充斥的市场。中国传统的精华将消失殆尽。

所谓。民族的就是世界的”，中国的工业产品设计亟需走出模仿和抄袭，莺新审视中国传统文化，用设计来传承传统文化的精髓，只有这样，我国的工业设计才能真正走出国门．

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应力腐蚀开裂探讨

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年，卷(期)：南立志， 朱万钦， 张军锋， 彭建良， 李应欣南立志,朱万钦,张军锋,彭建良(三门峡市锅炉压力容器检验所,河南三门峡,472000)， 李应欣(开曼,三门峡,铝业有限公司,河南三门峡,472300)中国科技纵横CHINA SCIENCE & TECHNOLOGY PANORAMA MAGAZINE2011(9)

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