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应力腐蚀的危害与防护
发布:lee_9124   时间:2018/6/12 21:54:47   阅读:203 
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应力腐蚀的危害与防护华东理工大学华昌聚合物有限公司  黄锐金属材料或玻璃钢复合材料等在拉应力和特定化学介质共同作用下,发生低应力破坏(一般为脆性断裂),称为应力腐蚀断裂。应力腐蚀共同作用下,材料破坏所需的应力远小于静态腐蚀下的应力。
 
1、应力腐蚀的因素
 
力学因素。 制品一般承受的是拉应力,其拉应力主要为负载应力和残余应力。而残余应力包括制品拼接组装产生的残余应力、金属制品冷加工变形产生的残余应力、玻璃钢制品固化过程产生的残余应力,以及设计不合理产生的应力集中等。当制品所受的拉应力超过临界应力时就可能发生应力腐蚀破坏。
 
环境因素。环境温度、介质中某些成分的浓度都可能对制品(包括金属制品和非金属复合材料制品)的应力腐蚀破坏产生不同程度影响。一般来说,介质溶度越高、温度越高,在拉应力和腐蚀环境下,越容易对制品产生应力腐蚀。
 
制品制作工艺。不同工艺对制品的内部结构的均匀性以及是否有缺陷是不一样的。工艺不成熟或者固有的缺点生产的制品容易出现各种缺陷,而应力腐蚀对缺陷更敏感,制品更容易发生应力腐蚀破坏。
 
制品组成成分。金属制品的各个元素不同构成比例,玻璃钢中基体与纤维不同的比例等成分的差别都可以对应力腐蚀产生影响。
 
2、应力腐蚀的特征与危害
 
应力腐蚀在腐蚀过程中,材料出现微裂纹然后再扩展为宏观裂纹,微裂纹一旦形成,其扩展速度比其它类型局部腐蚀的快的多。应力腐蚀的过程不易发觉,一旦发生事故不易控制,造成危害也较大。应力腐蚀断裂的特征曲线见图1。
 
 
 
 图1. 应力腐蚀断裂的特征曲线应力腐蚀断裂是一种延迟断裂。
 
断裂时间随介质和应力大小从几分钟到几年不等。应力腐蚀裂纹扩展速度远远大于没有应力时的腐蚀速度,但比纯机械快速断裂慢的多。
 
金属材料发生应力腐蚀时,仅在局部地区出现从表到里的腐蚀裂纹,其裂纹形态主要有穿晶型、晶界型、混合型。不同的金属与环境体系有不同的裂纹形态。一般断裂口呈现脆性断裂特征。
 
玻璃钢复合材料在介质、应力等因素作用下,结构和性能可能发生变化从而降低或丧失使用性能,而应力腐蚀开裂是导致玻璃钢制品发生脆性断裂而失效的主要原因之一。应力腐蚀会降低玻璃钢的蠕变强度和蠕变极限。一般来说,玻璃钢的蠕变极限为静态强度的30-40%,但应力腐蚀的影响,其蠕变极限会降低到30%以下。同时,应力腐蚀会降低玻璃钢的蠕变模量。
 
3、应力腐蚀防护力学因素的防护
 
减少拉应力,使材料的工作应力和残余应力的总和降到腐蚀临界应力以下。包括以下:一是设计构件合理,不出现应力过高集中区,过度区域尽量圆角连接;二是制品制造加工过程尽量避免较大温差变化,避免快速冷却产生的应力集中以及制品变形。
 
环境因素防护。考虑到应力腐蚀对制品的耐腐蚀性能的影响,在考虑制品对特定环境温度和介质浓度耐腐蚀性能时,需要留够充分的余量,以避免制品在使用期内就发生应力腐蚀破坏。
 
制品制作工艺防护。时刻关注相关行业制作工艺的发展变化,及时更新现有的旧的不够先进的制作工艺,采用更新的工艺制作满足要求的优良制品,可以降低应力腐蚀破坏情况的发生概率。以玻璃钢容器为例,现如今玻璃钢容器很多是使用缠绕工艺制作的,但该工艺不能保证制品表面和结构中不存在缺陷(如,表面划痕、内部夹杂、微孔、裂缝、晶界、相界等)。
 
制品组成成分防护。对于金属制品来说,通过不断研发试验,找到更佳的各元素更佳比例的配方,制造更耐腐蚀的金属制品以代替对介质或应力敏感的材料,比如可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等代替普通的不锈钢材料;对于玻璃钢复合材料,研发出更好的耐应力腐蚀的基体材料以及增强材料,以提高制品的耐应力腐蚀能力。用韧性高防腐蚀性能高的基体材料代替脆性大防腐蚀性能低的基体材料,同时根据需要采用不同的增强材料代替传统增强材料,如耐腐蚀的高性能玻璃纤维的使用以及防腐蚀性能更优的碳纤维的使用。
 
使用过程的防护。在制品使用过程中,避免内或外部冲击对制品产生影响,同时经常对制品进行检查。检查包括肉眼可见的外观是否损伤检查,以及对内部的无损检测(如采用超声波检测等)。对于检查出的缺陷,及时研究出修复方案,假如无有效修复方案,应该及时停止对制品的使用。制品在使用前,有运输和安装过程,这些过程同样可能不可避免的要被磕碰,这时候使用缓冲材料对制品表面进行保护,避免制品在使用前就产生银纹或裂纹等缺陷。
 
还有其它一些防护,如下:
 
涂料防护:对制品表面涂抹一层防腐蚀涂料进行加强保护;
 
衬里防护:在制品内部加一层内衬层,如耐腐蚀性更高的不锈钢、钛、橡胶、玻璃钢、聚四氟乙烯等,以加强制品的腐蚀。最近,由华东理工大学华昌聚合物主导的加油站双壁罐修复改造,就是对原有已有腐蚀的钢制油罐进行加入玻璃钢内衬改造,以达到油罐的使用修复,延长油罐的使用寿命。
 
金属制品的阴极保护:采用外加电流的阴极保护可以有效防止金属制品的应力腐蚀。
 
添加缓蚀剂进行处理:在生产条件允许下,可以添加一些防腐蚀剂来提高制品的耐腐蚀性能。
 
以本人接触更多的玻璃钢为例简单说一下。玻璃钢材料常规一般采用不饱和树脂(包括乙烯基酯、不饱和聚酯等)、环氧树脂等热固性树脂以及热塑性树脂为基体材料,同时加入玻璃纤维、碳纤维等为增强材料制作而成。树脂和纤维都能影响最终制品对特定介质的的防腐蚀能力。个人认为,树脂对介质的防腐蚀作用更重要,而纤维最大的作用是提供制品的初始强度。所以在提高纤维的防腐蚀能力外,想要保证制品的防腐蚀能力,更重要的是提高树脂的防腐蚀能力。本文主要说的应力腐蚀,若要防护应力腐蚀,首要要保证玻璃钢材料本身在不受应力下就具备对特定介质的防腐蚀能力,这是基本前提。否则,材料本身在不受应力下就不耐腐蚀,或者耐腐蚀能力不强,那么应力下的防腐蚀能力就更弱。所以,要避免应力腐蚀,材料在静态下的防腐蚀能力必须提高到一定程度。我们知道,乙烯基酯树脂的防腐蚀能力(常规的酸碱性等介质的防腐蚀)一般比不饱和聚酯强,所以在选择基体树脂材料的时候,为了防护应力腐蚀等腐蚀的时候,我们优先选择乙烯基酯树脂。但考虑到乙烯基酯的价格较不饱和聚酯高,我们应该在保证满足防腐蚀的条件下,控制乙烯基酯与不饱和树脂的使用比例,以达到一个最佳的防腐蚀与成本控制的平衡点。针对应力腐蚀,一般采用韧性好的基体材料制作的制品比采用韧性差的基体材料制作的制品比能够更好的防护应力下的腐蚀。所以,为了提高玻璃钢制品的应力腐蚀防护能力,可以考虑两个方面对基体进行研究。一个方面研究新配方提高树脂对特定介质的防腐蚀能力,一方面研究新配方提高树脂的韧性。在韧性不变的前提下提高树脂防腐蚀的能力,在防腐蚀不变的前提下提高树脂的韧性,或者两方面都提高,这些都能提高采用该树脂制作的最终材料的应力腐蚀防护能力。这里还将提到影响玻璃钢制品的应力腐蚀防护能力的一个重要因素,这就是基体与纤维之间的结合能力,即界面性能。树脂与纤维界面性能好,玻璃钢制品的缺陷出现会少很多;而树脂与纤维界面性能差,玻璃钢制品可能会出现各种缺陷(开裂、分层等),本身有缺陷的制品更容易发生应力腐蚀破坏,因为应力腐蚀对缺陷更敏感。上面已经提到,制作工艺也会影响制品的应力腐蚀抵抗能力。玻璃钢制作工艺很多,我们知道热压罐成型工艺制作的制品缺陷比真空灌注成型工艺制作的制品更少,但热压罐成型工艺的成本也更高。所以,研究成本更低、成品缺陷更少的制作工艺也是玻璃钢材料应力腐蚀防护需要考虑的问题。
 
应力腐蚀作为材料腐蚀的一种形式,其相比其它腐蚀(物理腐蚀、化学腐蚀等)的不可预料性更大,可控性也越差,危害性也越大。了解并做好应力腐蚀的防护因此很有必要。更先进的材料发现、更先进的材料制作工艺采用、更先进的快速方便的检测技术的发明都将为以后应力腐蚀防护提供保证。
 

来源:腐蚀与防护
 
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