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奧氏體不銹鋼裝置連多硫酸應力腐蝕與防護

文檔作者：董月香文檔來源：荊楚理工學院		點擊數：	更新時間： 2025年10月21日
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第10期 57一
奧氏體不銹鋼裝置連多硫酸應力腐蝕與防護
董月香
(荊楚理工學院， 湖北荊門448000)
[摘要]奧氏體不銹鋼在連多硫酸中發生沿晶應力腐蝕開裂。文章分析了連多硫酸濃度、氯離子、不銹鋼熱處理狀態對開
裂的影響。防護措施可從環境、材料、應力三方面進行。
[關鍵詞]奧氏體不銹鋼；連多硫酸；應力腐蝕
奧氏體不銹鋼因其具有優異的成型性、良好
的可焊性及耐高溫特性、較高的疲勞強度，在各
種石化裝置中得到廣泛應用。但是， 由于連多硫
酸引起的奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂事故[1-3]時有
發生，使其應用受到限制。美國石油協會(API)
曾對12個煉油廠的71件不銹鋼應力腐蝕開裂進行
過調查分析， 調查結果表明，停工中所發生的開
裂大多為連多硫酸應力腐蝕開裂。因此，探討奧
氏體不銹鋼連多硫酸的應力腐蝕與防護對于合理
使用不銹鋼及安全生產均具有一定的意義。
1腐蝕機理
連多硫酸應力腐蝕最易發生在高壓含氫環境
下，特別是在加氫脫硫、加氫裂化、催化重整等
系統中用奧氏體鋼制成的管線、加熱爐爐管及設
備上【4J。這些管線、設備在高溫、高壓、缺氧、缺
水的條件下運行時， 原料油中的硫化氫或活性硫
會與設備表面的金屬鐵發生反應生成FeS，此時不
會形成連多硫酸應力腐蝕。但是，當裝置停車、
降溫并打開設備后，含有大量O 和水分的空氣便
涌入設備，空氣中的O 和水分與設備表面的FeS發
生反應，生成大量連多硫酸(H2SXO ，X=3，4，
5)，反應如下：
FeS+02+H20— O3+^r2 D6
so：+H20 sQ
H 2so,+FeS— mH2S~04+nFe
HESQ+D2 H2so,
H：SO4+FeS FeSO4+H zS
H ：SO~+H s mH2s
x
06+nS
連多硫酸的生成形成了應力腐蝕的環境。一
般認為，該應力腐蝕與晶間腐蝕密切相關，易于
發生敏化的奧氏體不銹鋼和其它高合金鋼比較容
易發生這類腐蝕。奧氏體不銹鋼中含碳量高時，
在焊接或高溫使用過程中，會發生碳化鉻在晶界
沉淀，引起晶界貧鉻，這些區域首先發生連多硫
酸的晶間腐蝕，接著由于拉應力的存在，造成這
些最薄弱的區域發生連多硫酸應力腐蝕開裂。比
如變換系統的不銹鋼設備、加氫精制高壓分離器
接管等工作溫度在不銹鋼敏化溫度區的設備均易
發生連多硫酸應力腐蝕破壞[3j】。
不銹鋼在連多硫酸中應力腐蝕開裂屬于沿晶
斷裂機制，其應力腐蝕開裂具有典型的陽極溶解
機理[6】o
2影響因素
2．1介質因素
2．1．1連多硫酸濃度
連多硫酸濃度對不銹鋼沿晶應力腐蝕開裂的
影響如圖IN示，隨著連多硫酸濃度的上升，溶液
pH值下降，斷裂時間隨之縮短。
翟
重
鍪
苷
馥稂度，‘I‘oU
圖1連多硫酸濃度對敏化18—8不銹鋼應力腐蝕開裂的影響
注：敏化溫度65O℃／4h，應力48MPa
2．1．2氯離子 ．
氯離子的加入會增加不銹鋼在連多硫酸環境
中的應力腐蝕敏感性。其原因是由于氯離子半徑
作者簡介：董月香(1974一)，女，湖北鄂州人，碩士，荊楚
理工學院講師，研究方向：工程結構完整性。
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一
58 ■腐蝕防護 2石0油10與年化第工13設卷備
小，穿透能力強，極易透過膜內的孔隙，從材料
表叫牝 ? ，破壞鈍化膜，鈍化膜薄弱的地
方腐蝕優先發生，加之材料內部存在的“活性通
道” ，在應力的協同作用下， 由氯離子引起的蝕
孔擴展為裂紋， 從而加速不銹鋼發生應力腐蝕破
裂[6】。即在氯離子與連多硫酸共存的環境，氯離子
不僅增加敏化不銹鋼的應力腐蝕破裂傾向， 同時
加速連多硫酸應力腐蝕破裂過程 ]。
2．2材料因素
2．2．1熱處理的影響
由于奧氏體不銹鋼連多硫酸應力腐蝕過程與
晶間腐蝕密切相關， 因此， 固溶溫度、敏化程度
對不銹鋼在連多硫酸中的SCC的影響較大。對Ti／C
小，C未被完全穩定化的材料， 固溶溫度越高、
敏化程度越大，越容易發生沿晶開裂 】。這是因
為，敏化使大量的C作為Cr 。c 在晶界析出， 由于
碳化鉻沉淀產生的貧鉻區，在連多硫酸介質中，
引起嚴重的晶間腐蝕。在應力作用下，加速了腐
蝕開裂的發生。
2．2．2鋼組織的影響l
具有奧氏體組織的不銹鋼， 由于碳化物在晶
界析出，所以易于敏化。但是具有鐵素體、奧氏
體雙相不銹鋼組織的鋼在連多硫酸中耐SCC性能
很好。鐵素體含量以10％為界，超過10％的就不再
發生IGSCC。
3防護措施
應力腐蝕發生的條件是：一定的應力水平、
特定的介質與材料組合， 因此對于應力腐蝕的防
護，應從材料、應力、環境三方面進行控制。
3．1應力
應力腐蝕的發生必須有較高的應力水平，鋼
材的應力水平越高，越容易使奧氏體不銹鋼產生
應力腐蝕開裂。通過增加壁厚來降低應力水平的
辦法，不如采取有效措施減少或降低殘余應力合
理。對于殘余應力的降低，一般可從焊接與安裝
兩方面進行。
焊接時應嚴格遵循焊接規范， 比如采用低焊
接線能量施焊、合理設計坡口、焊接次序、焊接
過程中熱態錘擊每道焊道、焊后進行適當熱處理
以降低焊接殘余應力。
安裝時應盡量設法降低由于安裝所造成的殘
余應力。如中國石化股份有限公司天津分公司加
氫裝置高壓氣液分離器， 安裝時，在接管上增加
管托，減少了安裝過程中由于變形造成的外部拉
伸應力，對防止連多硫酸應力腐蝕取得了很好的
效果【 。
3．2環境
在環境方面，應當盡量避免連多硫酸的生
成，并嚴格控制介質環境的pH值。美國腐蝕工程
師協會(NAcE)為防止停工期間的連多硫酸應力
腐蝕開裂而發布了RPOI70．1997標準，規定了一系
列防護措施，使鐵的硫化物不能形成連多硫酸。
在實際操作中，針對不同的情況，可具體采
用如下措施：對停工時無需檢修的系統，通過充
入氮氣保護并保持壓力不小于0．1MPa，可有效地
隔絕停工后濕空氣進入設備，起到良好的防腐蝕
效果。這種方法簡單易操作，多次在裝置的實際
生產過程中得到應用，效果顯著。對于停工期間
需要打開的設備和管線，采用堿洗或噴淋，中和
生成的連多硫酸，對連多硫酸應力腐蝕可起到有
效的預防作用。
3．3材料
在材料方面， 由于連多硫酸應力腐蝕與晶問
腐蝕密切相關， 因此，對易產生連多硫酸應力腐
蝕的設備，應避免采用含碳量高、易敏化的304
鋼，而應采用具有穩定化元素鈦、鈮的321、347
系列鋼種。由于鈦或鈮較鉻而言與碳有更強的親
和力， 因此在400 850℃加熱時發生的是碳化鈦
或碳化鈮沉淀，很少或沒有碳化鉻，避免了晶界
貧鉻，所以抗應力腐蝕開裂能力大大提高。隨著
不銹鋼中鎳含量的升高，材料抗應力腐蝕開裂能
力增強，當鎳大于35％時，材料已具備相當高的抗
應力腐蝕開裂能力，鎳含量大于45％時，材料不發
生應力腐蝕開裂，但由于高鉻鎳鋼價格昂貴， 目
前較少應用。日本住友公司開發的347AP鋼，含碳
量在0．02％以下，Nb／C不小于15，具有較好的抗連
多硫酸應力腐蝕開裂性能 。
4總結
應力腐蝕開裂是奧氏體不銹鋼常見的破壞
形式。根據腐蝕環境的不同有氯離子應力腐蝕開
裂、連多硫酸應力腐蝕開裂、堿致應力腐蝕開裂
等多種類型。本文僅從連多硫酸應力腐蝕開裂這
一方面進行了討論。實際使用中的不銹鋼設備，
可能會發生各種不同的腐蝕破壞， 比如應力腐蝕
與其它腐蝕綜合作用f】“，或者不同介質的應力腐
蝕綜合作用【7】。要避免這類腐蝕帶來的危害， 需要
更多的科研與工程技術人員密切關注和研究。
(下轉60頁)
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一
60一 ■維修改造 2石0油與化工設備
10年第13卷
料函壓蓋緊固在一起。每組填料函內裝有一個石
墨浮環，每個石墨浮環前端面裝有6個小彈簧，在
彈簧力的推動下，石墨環后端面壓緊在下一級填
料函端面， 以防止介質徑向泄漏。石墨環的外徑
與填料函內徑有3mm直徑的空間， 當石墨環隨活
塞軸擺動時， 留置的這個空間可以避免石墨環外
徑與填料函內徑機械擠壓而損壞。石墨環內徑與
軸的外徑的間隙6 1僅0．1Omm，介質進入每一道填
料函后，只能從間隙值很小的6 1泄漏出去。高壓
介質經過三級石墨環節流降壓后，只有少量的介
質泄漏到填料函壓蓋處，在填料函壓蓋上加工了
與泵入口連通的螺紋孔，泄漏至此的介質回流入
口，壓力基本接近常壓，達到了為軸封的低壓端
密封降壓的作用。
低壓端密封結構，主要由浮動填料函和唇形
密封圈組成。在高壓端密封中，高壓的難點已經
解決，所以低壓端密封的難點是如何消除活塞軸
擺動大的影響。
浮動填料函內裝有8組唇形四氟密封圈，通過
螺紋套壓緊后，唇形四氟圈完全能夠將壓力接近
于常壓的介質密封于浮動填料函內。浮動填料函
外徑與填料函壓蓋內徑之間留置了直徑3mm的防
接觸空間，并在此空間內加設了彈性橡膠O型圈，
杜絕介質從此處泄漏。浮動填料函與填料函之間
用兩個連接螺栓連接，但螺栓并未將它們緊固在
一起， 在浮動填料函螺栓孔內裝了定位套，使得
螺帽只能與定位套緊固在一起，螺帽與浮動填料
函之間保留有6 2為4mm的竄動量。這樣，當軸在
往復運動中出現徑向擺動時， 唇形四氟密封圈、
浮動填料函可以隨軸共同浮動， 唇形四氟圈因避
免了強力擠壓受到保護，能夠充分發揮其密封性
好、耐磨損和使用周期長的特點。
3使用效果
自2010年1月對重油泵房P5軸封改進投入使用
后，一改以往軸封滴漏不斷的現象，開車時，從
外觀上觀察， 已完全杜絕了泄漏。開車3個月后，
軸封出現輕微滲漏， 適當調緊浮動填料函的螺紋
套后，滲漏消失，軸封繼續正常運行，大大減輕
了設備維護人員的工作量，消除了設備運行的低
標準狀況。全部軸封改進件均為自主加工，成本
不足3000元，保證了設備的長期穩定運行，經濟
效益和社會效益明顯。
◆參考文獻
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(上接58頁)
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