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，以下簡稱SCC1。近年來，隨著工業(yè)裝置的大型化、高溫高壓，以及高強鋼的大量使用，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)部門的最危險的損傷之一。根據(jù)國內(nèi)外一些著名化工企業(yè)的統(tǒng)計數(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)力腐蝕開裂的機理已有了充分的認(rèn)識。SCC的發(fā)生必須要三個條件同時具備，即一定水平的拉應(yīng)力、特定的腐蝕介質(zhì)以及對該腐蝕介質(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，不是簡單的疊加。如果從這兩個因素中任意取消一個，金屬的破壞將變得微不足道。

　　目前對于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，大量的研究與報道集中在采用緩蝕劑對腐蝕介質(zhì)改性以及用冶金、金屬表面改性和熱處理辦法增強材料抗應(yīng)力腐蝕的性能上，對于防止造成SCC的一個重要因素應(yīng)力的產(chǎn)生少有報道。本文試圖從鍋爐壓力容器的工藝和結(jié)構(gòu)人手，進行去應(yīng)力結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計．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)力運行工藝設(shè)計有些設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與其運行工藝有關(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，換熱管也將承受拉應(yīng)力，這時，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)計管殼程的介質(zhì)、壓力、溫度、強度及管束布置，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)計運行工藝時，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)計中總是以提高管板的厚度和采用高性能材料來增強和保證管板抵抗應(yīng)力和應(yīng)變的能力。若通過運行工藝設(shè)計降低應(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行工藝不能隨意變更的參數(shù)指標(biāo)。運行工藝本身是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也不可能通過調(diào)整幾個工藝參數(shù)就能一蹴而就解決去應(yīng)力問題。去應(yīng)力設(shè)計除了牽涉運行工藝外，還與材料供應(yīng)與選擇、結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計、設(shè)備制造、貯運和安裝、使用與維護等多個環(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)進行優(yōu)化設(shè)計求得結(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

　　2．1去應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計原則在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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)計中還應(yīng)盡量避免縫隙和可能造成腐蝕液殘留的死角。因為縫隙和死角的存在，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。

　　由于鍋爐在運行前一般都需要用堿液進行煮爐，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堿度達到合理值，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堿度就嚴(yán)重超標(biāo)。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)計實現(xiàn)應(yīng)力預(yù)防。

　　以某臺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，但未進一步用清水清洗鍋爐去除殘留堿液物。鍋爐投入運行近六個月時，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)及堿度和相對堿度嚴(yán)重超標(biāo)；二是該鍋爐結(jié)構(gòu)存在先天性缺陷。縱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)主對鍋爐安全技術(shù)知識的不了解及對安全生產(chǎn)認(rèn)識上的不足，致使嚴(yán)格執(zhí)行國家規(guī)范有一定的難度。這是筆者提出進行去應(yīng)力設(shè)計的一個客觀原因。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，是對發(fā)生堿脆極其敏感的材料。采用高強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，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)實的，因此客觀上要求采用去應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計。消除導(dǎo)致SCC的第三個因素也是最重要的應(yīng)力因素。為此，筆者提出了一種改進結(jié)構(gòu)，如圖2所示。