304L在高温碱性溶液中应力腐蚀开裂的研究

摘要

针对PTA装置加氢反应器氢气接管在线碱洗工艺而致使应力腐蚀开裂的问题，本文选取奥氏体不锈钢AISI304L为研究对象，实验室模拟加氢反应器在线碱洗环境，通过慢应变速率试验（Slow Strain Rate Test，SSRT）方法，研究该不锈钢材料在高温低浓度NaOH环境下应力腐蚀开裂行为。针对奥氏体不锈钢在制造过程中可能出现的敏化现象，研究其在上述环境下的耐腐蚀性能。同时通过高温纯水条件下慢应变速率试验，进行相应的对比试验，以此判断该不锈钢在高温低浓度NaOH溶液中发生SCC的敏感程度并找出敏感性因素。通过研究，掌握304L不锈钢在高温低浓度碱溶液中发生应力腐蚀开裂的敏感程度，有助于确定合理的在线碱洗的工艺条件（如温度和碱浓度），并对延长设备寿命具有重要的指导意义。 本文的主要工作和研究结果如下： （1）通过高温纯水的SSRT试验研究可知，304L不锈钢在1×10-6~1×10-5s-1的应变速率范围内，均以韧性断裂为主，但随着温度的升高和应变速率的降低，试样近表面部位已出现脆性断裂特征。在1×10-6s-1应变速率条件下，304L断裂吸收的能量随着温度的增加有所降低，表明有轻微的应力腐蚀开裂的迹象，因此，采用1×10-6s-1应变速率作为慢应变速率拉伸试验评价SCC敏感性的试验条件是可行的。 （2）对304L不锈钢进行了高温低浓度碱溶液环境下SSRT试验，研究了不同温度和NaOH浓度对SCC的影响。研究结果表明在较慢的应变速率情况下（1×10-6s-1），当NaOH浓度相同时，随着温度升高，最大拉伸强度、延伸率以及断裂时间呈下降趋势，说明温度会加剧应力腐蚀开裂，而相同的温度下，NaOH浓度提高，应力腐蚀开裂更为严重。说明温度和腐蚀介质浓度是影响材料发生SCC的重要因素。 （3）304L不锈钢在较低温度、较高的应变速率和较低的NaOH浓度（1％）的试验条件下发生的断裂是韧性断裂，基本上不发生SCC。当304L不锈钢在250℃以上和2％NaOH浓度以上的情况下，会有SCC倾向，而且随着这些条件的提高，SCC越来越严重。 （4）在高温低浓度碱溶液环境下，进行了敏化的304L不锈钢SSRT试验，研究结果表明敏化的304L的应力腐蚀开裂规律与原始态304L一样。不过，在1×10-6s-1慢应变速率拉伸试验中，敏化态304L不锈钢即使在较低温度（200℃）情况下已呈现脆性断裂的倾向。当温度和浓度增加时，SCC引起的脆性断裂越来越显著。 （5）以高温纯水下的SSRT为参照，计算了304L在高温低浓度碱溶液环境下的SCC敏感性因子。分析得到在高温（200℃、250℃和280℃）低浓度（1％、2％和5％）NaOH溶液中，当应变速率相同的条件下，温度的升高以及NaOH浓度增加，304L不锈钢的SCC敏感性增加，而且敏化的304L不锈钢的SCC敏感性比原始态材料大。 （6）通过综合比较，对于原始态304L不锈钢，280℃和2％NaOH溶液的环境下，会发生严重的应力腐蚀开裂；对于敏化的304L不锈钢，250℃和2％NaOH溶液的环境下，就会发生严重的应力腐蚀开裂。 （7）当NaOH溶液浓度达到5％和试验温度为280℃时，无论是原始态还是敏化态的304L，都发生严重的脆性断裂，这说明304L在这样的环境下不具备抗应力腐蚀开裂的能力，也意味着如果在设备局部存在碱的聚积，介质温度比较高，易于发生应力腐蚀开裂，致使设备失效。