在靜應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境聯(lián)合作用下，金屬構(gòu)件發(fā)生的脆性開裂過程稱為應(yīng)力腐蝕開裂(stress—corrosion—crack，以下簡(jiǎn)稱SCC1。近年來，隨著工業(yè)裝置的大型化、高溫高壓，以及高強(qiáng)鋼的大量使用，工程應(yīng)用中SCC事故不斷增多．且SCC已成為熱能工業(yè)、石化行業(yè)和其他工業(yè)部門的最危險(xiǎn)的損傷之一。根據(jù)國(guó)內(nèi)外一些著名化工企業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，SCC事件占總腐蝕破壞事件總數(shù)的50％左右。而且由于SCC是以低應(yīng)力脆斷方式破壞，容易導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，所以對(duì)SCC的研究及防治有著特別重要的意義。

　　目前，關(guān)于應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理已有了充分的認(rèn)識(shí)。SCC的發(fā)生必須要三個(gè)條件同時(shí)具備，即一定水平的拉應(yīng)力、特定的腐蝕介質(zhì)以及對(duì)該腐蝕介質(zhì)具有應(yīng)力腐蝕敏感的鋼材，溫度和腐蝕介質(zhì)濃度也是很重要的影響因素閉。腐蝕和應(yīng)力的作用是相互促進(jìn)，不是簡(jiǎn)單的疊加。如果從這兩個(gè)因素中任意取消一個(gè)，金屬的破壞將變得微不足道。

　　目前對(duì)于SCC的失效分析是比較多的，筆耕文化推薦期刊，而在防治SCC的方法上，大量的研究與報(bào)道集中在采用緩蝕劑對(duì)腐蝕介質(zhì)改性以及用冶金、金屬表面改性和熱處理辦法增強(qiáng)材料抗應(yīng)力腐蝕的性能上，對(duì)于防止造成SCC的一個(gè)重要因素應(yīng)力的產(chǎn)生少有報(bào)道。本文試圖從鍋爐壓力容器的工藝和結(jié)構(gòu)人手，進(jìn)行去應(yīng)力結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)．消除或減小構(gòu)件的拉應(yīng)力，從而消除或減少SCC。此外，應(yīng)力水平降低了，也就減輕了對(duì)材料的結(jié)構(gòu)尺寸和性能的要求，從而減少鋼耗或可使用中低性能鋼．設(shè)備成本隨之降低。

　　1去應(yīng)力運(yùn)行工藝設(shè)計(jì)有些設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與其運(yùn)行工藝有關(guān)。例如管殼式換熱器，換熱兩介質(zhì)分別走管程和殼程．管殼程的壓力、溫度、強(qiáng)度的不同導(dǎo)致管板承受不同的應(yīng)力。若殼程壓力、溫度、強(qiáng)度分別大于管程壓力、溫度，則管板承受壓應(yīng)力和向內(nèi)(換熱區(qū))的彎曲應(yīng)力，反之。管板將承受拉應(yīng)力和向外的彎曲應(yīng)力。當(dāng)然還存在其它幾種工藝組合及相應(yīng)的應(yīng)力情況。在管板承受拉應(yīng)力時(shí)，換熱管也將承受拉應(yīng)力，這時(shí)，無論是管內(nèi)還是管外，若存在合適的腐蝕性換熱介質(zhì)，而且換熱管材料是對(duì)腐蝕性介質(zhì)極其敏感的材料，換熱介質(zhì)又存在汽液兩相分界面，再加上合適的濃度與溫度，換熱管在汽液兩相分界面就會(huì)發(fā)生SCC [31(這與后述的LHS燃油(氣)蒸汽鍋爐煙管的堿脆是極其相似的)。即使不存在汽液兩相分界面，在管與管板連接處無論是脹接還是焊接或脹焊結(jié)合，總存在多種應(yīng)力(脹接應(yīng)力、焊接應(yīng)力、管殼程應(yīng)力、溫差應(yīng)力、應(yīng)力集中)、溫度、介質(zhì)等多種因素。在這些因素的綜合作用下，不可避免地在連接處產(chǎn)生縫隙、腐蝕性介質(zhì)的濃縮與聚積并發(fā)生scct4一。因此，若合理設(shè)計(jì)管殼程的介質(zhì)、壓力、溫度、強(qiáng)度及管束布置，使管殼程壓力趨于均衡，控制應(yīng)力使其處在scc臨界應(yīng)力之下，定能減少scc事故。如此，在設(shè)計(jì)運(yùn)行工藝時(shí)，可通過調(diào)整工藝參數(shù)如管、殼程壓力、溫度乃至互換管殼程介質(zhì)．以達(dá)到消除或降低應(yīng)力的目的。另外，由于在換熱器中管板所處的工況最為惡劣．在常規(guī)設(shè)計(jì)中總是以提高管板的厚度和采用高性能材料來增強(qiáng)和保證管板抵抗應(yīng)力和應(yīng)變的能力。若通過運(yùn)行工藝設(shè)計(jì)降低應(yīng)力水平，改善管板工況，則可降低高性能材料的消耗，從而降低成本、提高效益。

　　當(dāng)然，不能為了單純降低應(yīng)力水平而犧牲其它T藝參數(shù)，例如換熱效率及一些按照運(yùn)行工藝不能隨意變更的參數(shù)指標(biāo)。運(yùn)行工藝本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也不可能通過調(diào)整幾個(gè)工藝參數(shù)就能一蹴而就解決去應(yīng)力問題。去應(yīng)力設(shè)計(jì)除了牽涉運(yùn)行工藝外，還與材料供應(yīng)與選擇、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、貯運(yùn)和安裝、使用與維護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)有著密切的關(guān)系。這就需要站在系統(tǒng)工程的高度，綜合考慮多種因素，或者以設(shè)備的制造成本為目標(biāo)函數(shù)，或者以換熱效率為目標(biāo)函數(shù)，或者以應(yīng)力應(yīng)變?yōu)槟繕?biāo)函數(shù)．或者以多個(gè)因素為多目標(biāo)函數(shù)(不同的設(shè)備目標(biāo)函數(shù)可能也不同)，而以強(qiáng)度、可靠性、應(yīng)力水平和必要的工藝參數(shù)為約束函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)求得結(jié)構(gòu)、制造和其它工藝參數(shù)，從而最優(yōu)化解決去應(yīng)力問題。

　　2去應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2．1去應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使應(yīng)力分布均勻，避免局部應(yīng)力集中。例如，不等壁厚的連接應(yīng)采用緩慢過渡連接．對(duì)于臥式設(shè)備的開孔和焊縫應(yīng)避開可能產(chǎn)生拉應(yīng)力處，對(duì)于立式設(shè)備盡量不采用懸掛式支座或塔接式裙座。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還應(yīng)盡量避免縫隙和可能造成腐蝕液殘留的死角。因?yàn)榭p隙和死角的存在，為有害物質(zhì)(如C1一、ori-)的濃縮提供了條件。使縫隙中有害物質(zhì)濃度高于臨界濃度，從而在電化學(xué)方面滿足了應(yīng)力腐蝕條件。因此焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成全焊透結(jié)構(gòu)。此外，換熱器管與管板的連接應(yīng)盡量采用脹焊并用結(jié)構(gòu)。

　　2。2鍋爐去應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鍋爐在內(nèi)壓以及熱應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力等的作用下，會(huì)具備一定水平的拉應(yīng)力條件。鍋爐常見的應(yīng)力腐蝕為堿脆。

　　由于鍋爐在運(yùn)行前一般都需要用堿液進(jìn)行煮爐，以及鍋水經(jīng)過離子交換后僅除去了給水的硬度并未能使給水的堿度和相對(duì)堿度達(dá)到合理值，再加上使用者的不合理操作，因此從一開始鍋水的堿度和相對(duì)堿度就嚴(yán)重超標(biāo)。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消除產(chǎn)生堿脆的應(yīng)力條件和鍋水堿濃縮的條件，即使存在鍋水超標(biāo)，也可有效避免堿脆，也即通過去應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力預(yù)防。

　　以某臺(tái)LHS燃油(氣)蒸汽鍋爐為例，如圖1所示。燃燒器置于鍋爐中部f爐膽體上部)，燃燒火焰煙氣經(jīng)輻射換熱后流到轉(zhuǎn)煙室，然后經(jīng)煙管對(duì)流換熱后排出爐外。煙管沒有全埋于水中，上部有一部分裸露于蒸汽之中。鍋爐投入運(yùn)行前按使用說明書先加堿煮爐，煮爐液為NaOH、NaPO 堿液，煮爐后排去堿液，但未進(jìn)一步用清水清洗鍋爐去除殘留堿液物。鍋爐投入運(yùn)行近六個(gè)月時(shí)，從煙管出口處冒出大量水汽。經(jīng)查，是煙管發(fā)生了破裂  經(jīng)過分析，確認(rèn)碳鋼煙管的破裂是在經(jīng)過了堿腐蝕和氧腐蝕作用后煙管腐蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中及承載面積減小，最終在工作壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力和NaOH腐蝕介質(zhì)共同作用下而導(dǎo)致脆性斷裂．屬于應(yīng)力腐蝕斷裂中的堿脆。原因在于：一是使用者在使用、維護(hù)鍋爐過程中未或未完全按規(guī)范執(zhí)行，致使在升爐前鍋水就存在腐蝕性介質(zhì)及堿度和相對(duì)堿度嚴(yán)重超標(biāo)；二是該鍋爐結(jié)構(gòu)存在先天性缺陷�？v貫鍋爐的煙管雖方便了制造，但造成煙管承受拉應(yīng)力，最嚴(yán)重的是煙管存在汽水分界面，致使煙管既得不到有效利用又造成了腐蝕介質(zhì)的高度濃縮由于使用此類鍋爐的單位通常規(guī)模較小，資金有限，生產(chǎn)規(guī)模偏低，業(yè)主對(duì)鍋爐安全技術(shù)知識(shí)的不了解及對(duì)安全生產(chǎn)認(rèn)識(shí)上的不足，致使嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家規(guī)范有一定的難度。這是筆者提出進(jìn)行去應(yīng)力設(shè)計(jì)的一個(gè)客觀原因。鍋爐壓力容器的主要材料是碳鋼或低合金鋼，金屬的碳含量在0．001％～0．25％范圍時(shí)易產(chǎn)生堿脆。低壓鍋爐壓力容器的換熱管基本是10或2O無縫鋼管，是典型的低碳鋼，碳含量恰就在此范圍，是對(duì)發(fā)生堿脆極其敏感的材料。采用高強(qiáng)鋼替代低碳鋼和低合金鋼更增加了SCC的傾向，且極不經(jīng)濟(jì)，是不可取的。顯然在消除導(dǎo)致SCC的介質(zhì)和材料二因素方面存在困難、也是不現(xiàn)實(shí)的，因此客觀上要求采用去應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。消除導(dǎo)致SCC的第三個(gè)因素也是最重要的應(yīng)力因素。為此，筆者提出了一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。