基于典型失效模式的不锈钢压力容器设计、制造与检验

苏玉虎¹ ，钟锦林² ，谷勤霞³

(^1.3.淄博市特种设备检验研究院，山东 淄博  255086 )

(^2.烟台市特种设备检验研究院，山东 烟台   265508)

摘   要：不锈钢具有优越的抗腐蚀性、良好的力学性能及加工性能等优势，广泛应用于制造耐腐性、抗氧化、耐高温和超低温的压力容器，为确保其安全、可靠、长周期运行，基于不锈钢压力容器的主要典型失效模式，从不锈钢压力容器的设计、制造和服役阶段考虑，给出了预防措施与检验策略，最后指出合理的选材与结构设计、严格的制造质量控制、科学的管理与检验是影响不锈钢压力容器安全运行的关键因素。

关键词：不锈钢  压力容器  失效模式  设计  制造  检验 

随着我国石油化工行业的快速发展，石化装置内压力容器逐渐向大型化、高参数、复杂介质等方向发展，与其它钢材相比，不锈钢具有优越的抗腐蚀性、良好的力学性能及加工性能等优势，广泛应用于制造耐腐性、抗氧化、耐高温和超低温的设备^[1]。例如，3000m3异丁烯球罐采用不锈钢复合板^[2]；盛装液氮、液氧、液氩及液化天然气的深冷容器（尤其是内胆）采用奥氏体不锈钢制造^[3]；热壁加氢反应器内筒堆焊不锈钢耐热层。这些不锈钢压力容器安全、可靠、长周期运行对设计、制造与检验提出了更高要求。基于其特有的失效模式，从选材及结构、制造工艺特点、在役检验及管理等方面考虑，给出预防措施与检验策略。

1 不锈钢压力容器的主要失效模式

不锈钢压力容器大多采用奥氏体不锈钢及奥氏体-铁素体双相不锈钢，其主要典型的失效模式包括应力腐蚀开裂、晶间腐蚀、σ相脆化、475℃脆化[4]。

1.1 应力腐蚀

不锈钢压力容器应力腐蚀是不锈钢及其焊接接头在特定的介质和拉应力作用下出现的脆性开裂现象。裂纹在形态上多为树枝状，从表面向材料内部延伸，断口既有沿晶也有穿晶特征。在设备加工制造过程中产生焊接残余应力、装配应力及在服役阶段中结构结构不连续的应力集中。这些应力中的拉应力与敏感介质相互作用就会产生应力腐蚀开裂。一般不锈钢压力容器的应力腐蚀大部分是由氯离子超标（大于25mg/L）引起的。此外，一些特定的介质中也可发生应力腐蚀，如高浓度苛性碱设备中的碱应力腐蚀、加氢裂化装置停工期间的发生的多连硫酸应力腐蚀、核电站中设备中的高温水应力腐蚀开裂等^[4-5]。

1.2 晶间腐蚀

不锈钢及其焊接接头在长期450-850℃下服役，过饱和碳元素从奥氏体中析出，在晶界处与Cr元素形成Cr2O3,导致晶界“贫铬”，晶界的抗腐蚀性减弱，常见的晶界腐蚀介质见G.A.Nelson编制的腐蚀数据表^[6]。此外，在强氧化性介质中，经过固溶处理的奥氏体不锈钢中晶界磷元素严重偏析时，也可发生晶间腐蚀。腐蚀发生后材料的表面看不出被破坏的迹象，但是晶粒间的结合被破坏，大大降低了金属的机械强度。

1.3 σ相脆化

不锈钢及其焊接接头长期在538-816℃下服役，会析出一种被称为σ相的Fe-Cr脆硬相，σ相的形成提高不锈钢的强度，但显著降低了冲击韧性与耐蚀性^[7]。易发生在催化裂化装置中的再生器、旋风分离器，热壁加氢反应器内壁堆焊层等^[8]。

1.4  475℃脆化

双相不锈钢及含铁素体相得奥氏体不锈钢长期在316-540范围内服役，尤其在475℃左右析出的脆性相，使不锈钢的塑韧性降低，硬度增加。易在催化裂化装置、常减压装置及在敏感温度区间使用的压力容器^[4]。

2. 不锈钢压力容器的设计

2.1 材料选择

设计选材时应当重点考虑设备的服役条件（介质、温度和压力）。材料选择应符合GB/T24511-2017《承压设备用不锈钢钢板和钢带》规定，其中列出了22种奥氏体不锈钢，8种双相不锈钢。选材应遵循以下原则：(1)对于有晶间腐蚀严重倾向的设备，应采用超低碳不锈钢（C<0.3%）,如选用S39042、S31252，或选用耐晶间腐蚀性能优越的双相不锈钢，如S22053、22153等。或者选用含稳定化元素（如Ti、Nb等）的不锈钢，如S30478、S31668、S32168 等。(2)对于有应力腐蚀倾向严重的不锈钢压力容器，在设计时要充分考虑介质浓度，温度等因素，应当选用抗应力腐蚀性能强的奥氏体不锈钢，如S39042及双相不锈钢，如S22053。(3)对于在高温运行的设备，考虑到高温强度，要求其含碳量不能过低，GB/T150.2-2011中3.6.3规定：奥氏体型钢材使用温度高于525℃时，其含碳量不小于0.04%。此外，要格外注意敏感温度范围内发生σ相脆化和475℃脆化，尽量选择纯奥氏体不锈钢或铁素体含量较低的不锈钢，以降低σ相脆和475℃脆化发生的风险^[9-10]。

2.2 结构设计

对于高参数、强腐蚀介质、大型化不锈钢压力容器，通常设计壁厚较大，考虑经济性，一般采用不锈钢+钢复合钢板，如Q345R+S30408、Q345R+S22053等。但这类材料给制造带来困难，特别是大直径、大厚度封头在热旋压过程中容易导致基层和覆层分离，破坏复层耐腐蚀性。因此，在设计上宜采用分瓣冷压，再组焊而成[11]。在接管设计时，考虑到不锈钢接管与筒体异种钢焊接缺陷，宜采用厚壁碳钢管内衬不锈钢管，接管底部内衬不锈钢衬环。

3  不锈钢压力容器制造

3.1 原材料的控制

(1) 材料质量证明书的审查。用于制造压力容器的不锈钢材料及焊材均应符合相应的国家和行业标准，质量证明书内容必须齐全、准确。对有抗晶间腐蚀要求的，应按GB/T4334进行晶间腐蚀性能复验。

(2) 实物检查。材料表面不得有机械损伤、裂纹、结疤等缺陷，经酸洗供应的不锈钢板表面不允许有氧化皮和过酸洗。

(3) 材料的储存。为避免不锈钢受铁离子及氯化物污染，不锈钢压力容器应有专门的生产车间，地面应铺设橡胶或木质垫板。原材料应按钢号、规格、炉批号分类在室内单独放置。材料标记移植应采用无氯无硫记号笔书写，不得打钢印。

3.2 加工工艺质量控制

(1) 下料时，应采用等离子切割、机械加工下料或水刀切割。卷板时，卷板机应用无铁离子的材料覆盖轧辊表面。壳体组装过程中临时所所用楔铁、垫板等与壳体表面接触的用具应选用与壳体相适应的不锈钢材料^[14]。

(2) 不锈钢的成型一般采取冷加工，需要注意的是冷加工成型的零部件有开裂的风险，如冷压封头、U形换热管弯管处。曾有文献报道^[12-14]，一些亚稳态的奥氏体不锈钢（如301、304、321）封头冷压后，在直边段、过渡区出现裂纹，是因为这些变形大的区域产生脆硬的马氏体组织，导致开裂。即使该区域没有开裂，马氏体和奥氏体的双相组织容易导致电偶腐蚀，从而引发点蚀和应力腐蚀^[15-16]。因此，在奥氏体不锈钢冷加工成形后，可以通过计算封头变形量、测量变形大区域的硬度和马氏体含量来综合评价该零部件是否需要恢复性能热处理。GB150.4-2011中8.1.1只给出了变形率超过15%，实际中计算的变形量小于15%时，封头也发生了开裂。有关文献种也曾推荐，马氏体体积含量应控制在23%，或硬度不超过300HB，否则应进行固溶处理^[17]。

3.3 焊接质量控制

严谨在不锈钢非施焊表面直接引弧。对有晶间腐蚀要求的压力容器，返修焊缝也应保证其抗晶间腐蚀性能。

(1) 焊材的化学成分及焊接工艺对不锈钢晶间腐蚀产生具有重要影响。在焊接时，应采用小线能量，快速焊接，对于薄板宜采用TIG、等离子焊；对于8-14mm板厚，宜采用PAW+TIG组合焊接工艺，开Y型坡口，单面焊双面成形；对厚板多层多道焊接时，应注意层间温度不要高于100℃，背面采用压缩空气或喷水冷却，减少敏化温度范围停留时间。对晶间腐蚀要求高的设备，应选择超低碳不锈钢焊接材料，如A002或焊稳定化元素的A132焊接材料。另外，面向腐蚀介质的焊缝最后焊接，避免介质侧焊缝及热影响区敏化。对双相不锈钢焊接时，要注意焊缝组织的比例，防止耐腐蚀性能降低。有关研究表明^[18]，TIG焊缝的铁素体含量与奥氏体含量比例较理想，耐腐蚀性优于SAW和SMAW。

(2) 焊缝外观及缺陷检测。不锈钢压力容器焊缝应控制余高不超标，不允许有咬边，以防止腐蚀介质在此浓缩，引起应力腐蚀开裂；如果容器承受交变载荷，焊缝余高应磨平，防止产生疲劳裂纹或疲劳腐蚀。

3.4 焊后热处理控制

    考虑到奥氏体不锈钢敏化的倾向，不锈钢压力容器一般不做焊后热处理要求。GB150.4-2011中8.2.4和8.2.5条都没有明确规定不锈钢压力容器焊后热处理，把决定权交给了设计人员。但实际生产中，经常遇到不锈钢复合钢板按基层要求需要焊后热处理，如基层厚度过大、盛装介质为极度高度危害、低温压力容器等。GB150.4-2011中8.2.6.6规定：复合钢板热处理时应采取措施保证容器满足使用要求^[9]。为尽量减少奥氏体不锈钢覆层的敏化，热处理时应尽量选择较低温度进行，HG/T20584中表8.3.0-1^[19]给出了推荐。个人认为，奥氏体不锈钢复合板热处理前，应该按照预定热处理工艺做晶间腐蚀模拟试验。热处理后应该进行100%UT检测，考察覆层与基层的结合状态。

3.5 强度试验

不锈钢压力容器采用水压试验时，应控制水中氯离子不超标。试验完成时，及时用压缩空气吹扫干净，防止水在死角处残留，导致氯离子浓缩，增加应力腐蚀风险。水压试验完后，应进行酸洗钝化处理，进一步减少点蚀和应力腐蚀的风险。

4 在役不锈钢压力容器的检验

不锈钢压力容器即使设计和制造满足要求，服役中的压力容器由于介质、温度、压力的波动，不可避免的在运行过程中使制造中的允许缺陷扩展，或出现新的缺陷。针对不锈钢压力容器运行中的特点，基于其典型失效模式，有针对的制定检验方案。既保证缺陷不漏检，也不要过分检验，提高检验效率的同时，也保证了检验质量。

(1) 资料审查  ①检查压力容器的出厂资料，确定其材质是否满足工艺数要求及抗腐蚀性。②检查介质的成分记录，确定有无应力腐蚀倾向，如不锈钢压力容器中的Cl—含量不得超标。③查看运行记录（压力及温度），判断容器有无承受疲劳载荷。

(2) 宏观检验  对于不锈钢压力容器重点检查以下部位：①筒体及焊缝表面可疑部位采用小锤敲击，判断是否有晶间腐蚀。②焊缝检验尺检查焊缝咬边深度。③对有不锈钢衬里的压力容器，检查其衬里有无宏观裂纹及腐蚀产物。④检查容器结构不连续处、引力集中部位有无腐蚀及宏观裂纹。⑤检查容器是否有穿孔泄漏，特别是焊缝部位。

(3) 表面缺陷检查 对有应力腐蚀裂纹 对容器，A、B类焊缝进行不少于20%渗透探伤，对表面宏观检验发现可疑部位、T字焊缝、工卡具焊缝、补焊焊缝以及接管角焊缝进行100%渗透检测。对于承受交变载荷的压力容器，重点检查应力集中部位有无疲劳裂纹或疲劳腐蚀裂纹。

(4) 埋藏缺陷检测  当表面发现裂纹时，应增加射线检测。检查制造过程中允许缺陷有无扩展，焊缝表面发现裂纹处附近有无内部缺陷。

对于石化装置中的高温、高压、强腐蚀性介质，特别是带不锈钢内衬的压力容器，可采用红外热成像技术、电磁超声检测技术对腐蚀、内部缺陷发展进行动态监测。

5 结论

基于不锈钢压力容器的典型失效模式，分析了锈钢压力容器在设计、制造和服役阶段可能产生的缺陷，给出了预防措施与检验策略，为不锈钢压力容器的设计、制造与检验提供技术参考，对确保不锈钢压力容器的安全运行具有重要意义。

参考文献

[1]李颖超.奥氏体不锈钢压力容器应力腐蚀分析及预防[J]中国化工装备，2022（3）：1-10.

[2]懂宏斌，张涛，张建军，等. 3000m3不锈钢复合板球罐的制造与安装[J].压力容器，2023，40（01）：1-2.

[3]郑津祥，赵永志，刘鹏飞，等.压力容器面临的机遇和发展趋势[C]//第八届全国压力容器会议论文集——压力容器先进技术.北京：化学工业出版社，2013:39-45.

[4] GB/T30579, 承压设备损伤模式识别[S].

[5]周昊.奥氏体不锈钢在多连硫酸中的腐蚀与防护[J]腐蚀与防护，2022,43（8）:115-118.

[6]左景伊，左禹.腐蚀数据与选材手册.北京：化学工业出版社[M],2008:456-487.

[7]宾远红，李培芬，李志铮，等.双相不锈钢σ相析出行为及对冲击性能的影响[J]热加工工艺，2013，42(8)：155-159.

[8]马铁钢.临氢反应器承重环耐蚀层裂纹成因及对策[J]石油和化工设备，2020，23（2）：1-4.

[9]GB/T150-2011,压力容器[S].

[10]GB/T24511-2017，承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带[S].

[11]张瑞鹏.S32205+Q345R双相不锈钢复合板压力容器设计及制造要点[J].石油化工设备，2016,45（4）：85-88.

[12]支泽林，王福岐.不锈钢封头开裂分析及对策[J].中国特种设备安全，2014，30（2）：62-64.

[13]翟金辉，鲍彬彬，徐敏霞,等. 压力容器用304不锈钢封头直边度开裂分析[J].压力容器，2011，28,（12）:54-58.

[14] 杜红元，魏献玲，胡效军. 亚稳态奥氏体不锈钢封头应力开裂分析[J].石油化工设备，2011,40（1）：103-106.

[15]形变马氏体对奥氏体不锈钢封头性能影响[J].中国特种设备安全，2014，30（2）:21-24.

[16]不锈钢冷加工形变诱发马氏体箱变及其腐蚀行为[J].材料保护，2002，35（3）：12-17.

[17]奥氏体不锈钢压力容器封头开裂缺陷的探讨[J].压力容器，2017，34（6）：74-79.

[18]艾建阳，胡裕龙，王皓，等.双相不锈钢及其焊接接头腐蚀研究进展[J].表面技术，2022,51（4）：77-86.

[19]HG/T20584-2020，钢制化工容器制造技术规范[S].