不锈钢设备腐蚀失效及可靠性分析

随着奥氏体不锈钢材料在承压设备中的广泛应用，由Cl-引起的应力腐蚀开裂事故频繁发生。因应力腐蚀开裂(stress corrosion cracking,SCC)引起的断裂属于低应力脆性破坏，常在设备没有任何先兆的情况下造成灾难性后果，严重威胁着人民的生命和财产安全。受环境、应力以及材料等因素的影响，应力腐蚀机理和过程颇为复杂，应力腐蚀失效具有很大的不确定性，虽然研究人员已对应力腐蚀机理、影响因素以及裂纹扩展等进行了大量研究，但仍有许多问题需要解决。为了进一步加深对奥氏体不锈钢应力腐蚀失效过程的认识，笔者针对应力腐蚀的几个关键问题展开研究，主要包括：应力腐蚀影响因素、点蚀的形成、裂纹的萌生和扩展、失效概率。弄清这些问题，有助于为防范设备的应力腐蚀失效采取针对性的措施。

笔者对应力腐蚀影响因素、点蚀坑的产生及随机性、裂纹的萌生及扩展、应力腐蚀失效概率等问题开展了研究，获得了介质压力对应力腐蚀的影响规律，提出了点蚀萌生的判据，解释了多数裂纹萌生于坑口或坑肩的主要原因，列举了不锈钢设备和管道失效分析案例。通过笔者的研究，能够促进应力腐蚀理论和风险分析理论的完善和发展，对保障奥氏体不锈钢设备的安全运行具有重要意义。

笔者自攻读研究生期间就致力于化工设备可靠性分析研究，近年来，一直从事该领域的研究。化工装备多属于压力容器，处于高温、高压、腐蚀性介质中，因设备失效而引发的灾难性事故时有发生，为引起科研人员、企业技术人员的足够重视，笔者将近年来的研究成果与大家分享，希望在提高化工装备可靠性方面贡献一份力量。本书以设备可靠性分析领域的研究人员为主要读者，也可供高校相关专业科研人员、化工企业装备工程技术人员参考。

本书由山东交通学院隋荣娟著。本书编写过程中，得到了王威强教授、陈颂英教授的悉心指导和帮助，在此表示衷心的感谢！感谢李国帅在试验过程中提供的帮助!感谢相关企业为丰富本书内容提供了素材。

由于作者水平所限，书中不足之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

著者

本书在应力腐蚀试验的基础上，分析了应力腐蚀的影响因素、点蚀的产生及随机性、裂纹的萌生及扩展、应力腐蚀失效概率等问题，揭示了介质压力对不锈钢设备应力腐蚀的影响规律，提出了点蚀萌生的判据，解释了多数裂纹萌生于坑口或坑肩的主要原因，并对不锈钢管道和废热锅炉腐蚀案例做了剖析讲解。

本书以设备可靠性分析领域的研究人员为主要读者，也可供高校相关专业科研人员、化工企业装备工程技术人员参考。

隋荣娟，山东交通学院，副教授，教育经历：

从事教育工作14年，在教学方面，主要讲授课程为《机械设计基础》、《机械制造基础》、《液压与气压传动》、《热力学》等，参编教材4部。在科研方面，以化工设备可靠性分析、金属应力腐蚀、机械结构设计为研究方向，主持科研项目2项，参与横向课题3项、国家自然基金1项、厅级课题6项，发表论文20余篇，其中SCI、EI收录5篇，申请专利3项，指导大学生国家创新项目1项。

第1章绪论

1.1选题背景002

1.2国内外研究现状003

1.2.1概率分析方法003

1.2.2点蚀及其概率研究进展006

1.2.3应力腐蚀及其概率研究进展009

1.3存在的问题014

第2章应力腐蚀试验

2.1应力腐蚀试验方法017

2.1.1恒变形法017

2.1.2恒载荷法017

2.1.3慢应变速率拉伸法018

2.2试验设计020

2.3试验结果021

2.3.1腐蚀拉伸曲线021

2.3.2应力腐蚀敏感性分析024

2.3.3腐蚀形貌与断口分析024

2.4温度和工作压力对应力腐蚀开裂影响机理033

2.5小结034

第3章应力腐蚀影响因素关联性分析

3.1灰色关联分析036

3.2应力腐蚀影响因素显著性分析037

3.2.1分析案例1037

3.2.2分析案例2043

3.3小结046

第4章点蚀产生和生长概率分析

4.1点蚀的产生049

4.1.1点蚀产生的电化学判据049

4.1.2点蚀产生的概率分析052

4.1.3计算实例054

4.2点蚀产生率分析058

4.3点蚀生长概率分析060

4.3.1点蚀生长模型060

4.3.2点蚀生长概率062

4.4小结062

第5章应力腐蚀裂纹萌生与扩展概率分析

5.1应力腐蚀裂纹的萌生065

5.1.1点蚀坑形貌对裂纹萌生的影响065

5.1.2裂纹萌生机理076

5.2应力腐蚀裂纹扩展概率分析077

5.2.1裂纹扩展速率估算077

5.2.2裂纹扩展概率分析078

5.3小结082

第6章不锈钢管道失效分析案例

6.1失效案例介绍084

6.2失效分析过程086

6.2.1外观检查086

6.2.2化学成分分析088

6.2.3坑内腐蚀产物分析088

6.2.4金相组织分析090

6.2.5能谱分析094

6.3电化学试验095

6.3.1试样制作095

6.3.2试验仪器及方法096

6.3.3试验结果096

6.4结论与建议100

第7章废热锅炉腐蚀失效分析案例

7.1失效案例介绍102

7.2失效分析过程和结果104

7.2.1现场勘查104

7.2.2现场取样105

7.2.3换热管材料分析105

7.2.4裂纹检查106

7.2.5裂纹缝隙内杂质成分分析111

7.2.6管壁附着物的化学成分分析112

7.2.7废热锅炉进出水水质分析113

7.3小胀紧压力计算114

7.3.1换热管力学性能测试114

7.3.2胀接力的理论计算115

7.3.3胀接压力有限元分析118

7.4分析结果讨论127

7.5分析结论128

7.6建议129

参考文献

本书在应力腐蚀试验的基础上，分析了应力腐蚀的影响因素、点蚀的产生及随机性、裂纹的萌生及扩展、应力腐蚀失效概率等问题，揭示了介质压力对不锈钢设备应力腐蚀的影响规律，提出了点蚀萌生的判据，解释了多数裂纹萌生于坑口或坑肩的主要原因，并对不锈钢管道和废热锅炉腐蚀案例做了剖析讲解。

本书以设备可靠性分析领域的研究人员为主要读者，也可供高校相关专业科研人员、化工企业装备工程技术人员参考。

隋荣娟，山东交通学院，副教授，教育经历：

从事教育工作14年，在教学方面，主要讲授课程为《机械设计基础》、《机械制造基础》、《液压与气压传动》、《热力学》等，参编教材4部。在科研方面，以化工设备可靠性分析、金属应力腐蚀、机械结构设计为研究方向，主持科研项目2项，参与横向课题3项、国家自然基金1项、厅级课题6项，发表论文20余篇，其中SCI、EI收录5篇，申请专利3项，指导大学生国家创新项目1项。