SA543钢在高温锅炉水中的应力腐蚀性能试验研究

　　化工生产中大的反应器要属环氧乙烷反应器，其单重超过1000t，造价数亿元，以前采用碳钢制造，设备体积过大，制造和运输均较为困难。

　　为此从2002年起，美国SD公司采用强度级别更高的SA543钢来制造。由于SA543钢强度高00，未经热处理的焊接接头存在较大的残余应力，容易引起应力腐蚀开裂。2007年和2008年世界各地投用的11台采用SA543钢制造的环氧乙烷反应器中，超过一半都发生了泄漏，其中就包括国内某石化公司的2台环氧乙烷反应器，经常规超声波检测、超声波衍射时差法（TOFD）检测及超声波相控阵检测，发现2台环氧乙烷反应器存在400多个超标缺陷，其中长度超过40mm的裂纹就有11条0.SD公司调查分析认为是SA543钢在含Na离子的锅炉水中产生了应力腐蚀裂纹。

　　合肥通用机械研究院等的研究表明3-5，该环氧乙烷反应器在实际生产中发生应力腐蚀开裂的原因主要是焊接区域存在较高残余应力，锅炉水中含有的Na离子浓度较高。随后，SD公司调整了SA543钢制环氧乙烷反应器的制造工艺，要求进行焊后热处理以消除焊接残余应力；同时，将运行的锅炉水调整为含磷酸铵的锅炉水，以减小应力腐蚀裂纹敏感性。

　　但对于环氧乙烷反应器已发现的裂纹如何处理仍为工程界待解决的难题。制造该反应器的曰本IHI公司曾对其中的一条焊缝进行了修复，耗时1个多月，耗资100多万美元。综合考虑经济性和安全性，如让已存在缺陷的环氧乙烷反应器能带缺陷继续运行，将会产生巨大的经济效益，这就需要研究SA543钢在这种改进的锅炉水环境下的抗应力腐蚀性能如何，评价SA543钢中已有的裂纹在改进的锅炉水中是否会继续扩展。

　　楔形张开加载（WOL）预裂纹试样应力腐蚀试验和慢应变速率试验（SSRT）方法是研究高强钢在腐蚀介质中的抗应力腐蚀性能的主要手段6-7.文中采用WOL试验研究了带预制裂纹的SA543钢在改进锅炉水环境下的裂纹扩展行为，采用SSRT试验研究了SA543钢在含磷酸钠的锅炉水和改进后含磷酸铵的锅炉水环境下的应力腐蚀敏感性，并对试验结果进行了讨论，为保障带缺陷的环氧乙烷反应器的继续使用提供了数据支撑。

　　1试验方法该反应器主要参数为：反应器壳程和气体冷却器壳程主体材质为SA543TypeBCl.1，设计温度分别为288和275°C，操作温度分别为255和216°C，大内径5500mm，总高20m，净重515t.试验所用材料为商用钢板，其牌号为SA543TypeBCl.1，板厚度80mm.其化学成分和力学性能如表1，2所示。试验溶液均为环氧乙烷反应器现场所用的锅炉水，即含磷酸钠的锅炉水和改进后含磷酸铵的锅炉水。

　　表1试验用钢板的化学成分元素原材料质量保证书复验值表2试验用钢板的力学性能项目试样编号取样位置一14原材料质量保证书一1/4厚度处复验数据1/2厚度处7―2000金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分：慢应变速率试验在慢应变速率试验机上进行慢应变速率试验，试验温度为100°C和260°C，采用光滑板状试样，应变楔形张开加载（WOL）预裂纹试样应力腐蚀试验。在钢制密闭容器进行试验，采用MTS试验机预制疲劳裂纹，频率为5Hz，大载荷为45kN，疲劳应力比为0.1. WOL试验需标定螺栓加载载荷与刀口位移之间的关系，确定初始裂纹情况下刀口位移V通过控制刀口位移来控制初始螺栓加载载荷，各试样的P―V关系式如表3所示。

　　表3各试样P一V关系式试样编号P一V关系式2结果与讨论2.1楔形张开加载（WOL）预裂纹试样应力腐蚀试验结果通过楔形张开加载（WOL）预裂纹试样应力腐蚀试验可得到应力腐蚀裂纹的扩展速率。本次试验只进行了100C下的WOL试验，而环氧乙烷反应器的操作温度260C左右，在此温度下的应力腐蚀裂纹扩展行为是通过WOL试验和慢应变应力腐蚀试验间接得到。即分别进行100C和260C的慢应变试验，考察SA543钢在改进锅炉水中的应力腐蚀敏感性变化情况，综合WOL试验和慢应变应力腐蚀试验结果，来评价SA543钢在260C改进锅炉水环境下的裂纹扩展情况，为带裂纹的环氧乙烷反应器的安全评定提供数据。

　　按照GB/T15970.6―2007的试验程序，将WOL试样放入改进的含（NH4）3PO4的锅炉水溶液中浸泡720h，定期测量裂纹扩展长度，相关数据和试验结果如表4所示。可以看出，SA543钢在100C的含磷酸铵的锅炉水中，预制的裂纹没有扩展，说明SA543钢母材在改进的锅炉水环境下720h内的裂纹扩张速率几乎为零。

　　表4 SA543钢在100C下改进的含（NH4）3PO4锅炉水环境中WOL试样应力腐蚀试验结果试样编号初始V/mm初始K，/MPam 2.2SSRT试验结果示。本次试验选用抗拉强度、屈服强度和应力一100和260C下SSRT试验结果如表5~8所应变曲线下的面积作为应力腐蚀敏感性指数。

　　表5 SA543钢在100T：下含Na3PO4锅炉水环境中SSRT应力腐蚀敏感性试验结果试样编号试验温度/C试验环境抗拉强度/MPa延伸率/断面收缩率/内积功空气含Na3P4的锅炉水表6SA543钢在260T：下含Na3PO4锅炉水环境中SSRT应力腐蚀敏感性试验结果试样编号试验温度/C试验环境抗拉强度/MPa延伸率/断面收缩率/内积功空气含Na3PO4的锅炉水表7SA543钢在100T：下改进的含（NH4）3PO4锅炉水环境中SSRT应力腐蚀敏感性试验结果试样编号试验温度/C试验环境屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/断面收缩率/内积功空气含（4）3P4的锅炉水表8SA543钢在260T：下改进的含（NH4）3PO4锅炉水环境中SSRT应力腐蚀敏感性试验结果试样编号试验温度/C试验环境屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/断面收缩率/内积功空气含（4）3卩4的锅炉水慢应变速率试验结果一般以应力腐蚀敏感性指数/s的大小来评定应力腐蚀敏感性°8.当/s大于35时，研究体系具有明显的应力腐蚀倾向；当4.介于25~35时，研究体系有应力腐蚀倾向；当/s小于25时，研究体系没有明显的应力腐蚀倾向。从，2及表5，6中数据分析可知，SA543钢在100和260°C含Na3PO4锅炉水环境中的应力腐蚀敏感性较大。从，4及表7，84中数据分析可知，SA543钢在100和260C锅炉水中的应力腐蚀敏感性指数均小于25，且变化不大，应力腐蚀敏感性基本相同，其应力腐蚀裂纹扩展特性也应基本类似。示出SSRT试样的断口SEM照片，可以看出，各试样表面显示韧窝特征，没有明显的微二次裂纹。试验结果表明，在改进后的高温锅炉水中，SA543钢应力腐蚀裂纹萌生和扩展的抗力明显增强。

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　　定安全系数的设计思想。可见，该曲线用于非线性阶段设计时，计算所得的许用外压将明显高于GB150―2011所得，与ASME观-2和EN 13445设计所得相当。

　　4结论国产Q345R材料的系数B算图进行设计计算，与按试验曲线计算所得的许用外压相比，结果偏于保守。用本文得出的系数B曲线（m=3.0）设计时，同样设计条件下，在线弹性阶段，计算结果与GB150―2011相同，而在非线性阶段，较GB150―2011所得，许用外压可提高1.2倍左右，其结果与ASME观-1相近。

　　给出种变稳定安全系数外压应力系数B曲线，体现变稳定安全系数设计思想。同样设计条件下，在线弹性阶段，计算结果与GB150―2011相同；在非线性阶段，所得的许用外压将明显高于GB 150―2011所得，与ASME观-2和EN13445设计所得相当。