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在線客服 應(yīng)力腐蝕的危害與防護(hù)華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司 黃銳金屬材料或玻璃鋼復(fù)合材料等在拉應(yīng)力和特定化學(xué)介質(zhì)共同作用下，發(fā)生低應(yīng)力破壞（一般為脆性斷裂），稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。應(yīng)力腐蝕共同作用下，材料破壞所需的應(yīng)力遠(yuǎn)小于靜態(tài)腐蝕下的應(yīng)力。
1、應(yīng)力腐蝕的因素
力學(xué)因素。 制品一般承受的是拉應(yīng)力，其拉應(yīng)力主要為負(fù)載應(yīng)力和殘余應(yīng)力。而殘余應(yīng)力包括制品拼接組裝產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、金屬制品冷加工變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、玻璃鋼制品固化過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以及設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的應(yīng)力集中等。當(dāng)制品所受的拉應(yīng)力超過臨界應(yīng)力時(shí)就可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。
環(huán)境因素。環(huán)境溫度、介質(zhì)中某些成分的濃度都可能對(duì)制品（包括金屬制品和非金屬復(fù)合材料制品）的應(yīng)力腐蝕破壞產(chǎn)生不同程度影響。一般來說，介質(zhì)溶度越高、溫度越高，在拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境下，越容易對(duì)制品產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。
制品制作工藝。不同工藝對(duì)制品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性以及是否有缺陷是不一樣的。工藝不成熟或者固有的缺點(diǎn)生產(chǎn)的制品容易出現(xiàn)各種缺陷，而應(yīng)力腐蝕對(duì)缺陷更敏感，制品更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。
制品組成成分。金屬制品的各個(gè)元素不同構(gòu)成比例，玻璃鋼中基體與纖維不同的比例等成分的差別都可以對(duì)應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生影響。
2、應(yīng)力腐蝕的特征與危害
應(yīng)力腐蝕在腐蝕過程中，材料出現(xiàn)微裂紋然后再擴(kuò)展為宏觀裂紋，微裂紋一旦形成，其擴(kuò)展速度比其它類型局部腐蝕的快的多。應(yīng)力腐蝕的過程不易發(fā)覺，一旦發(fā)生事故不易控制，造成危害也較大。應(yīng)力腐蝕斷裂的特征曲線見圖1。
圖1. 應(yīng)力腐蝕斷裂的特征曲線應(yīng)力腐蝕斷裂是一種延遲斷裂。
斷裂時(shí)間隨介質(zhì)和應(yīng)力大小從幾分鐘到幾年不等。應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有應(yīng)力時(shí)的腐蝕速度，但比純機(jī)械快速斷裂慢的多。
金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)，僅在局部地區(qū)出現(xiàn)從表到里的腐蝕裂紋，其裂紋形態(tài)主要有穿晶型、晶界型、混合型。不同的金屬與環(huán)境體系有不同的裂紋形態(tài)。一般斷裂口呈現(xiàn)脆性斷裂特征。
玻璃鋼復(fù)合材料在介質(zhì)、應(yīng)力等因素作用下，結(jié)構(gòu)和性能可能發(fā)生變化從而降低或喪失使用性能，而應(yīng)力腐蝕開裂是導(dǎo)致玻璃鋼制品發(fā)生脆性斷裂而失效的主要原因之一。應(yīng)力腐蝕會(huì)降低玻璃鋼的蠕變強(qiáng)度和蠕變極限。一般來說，玻璃鋼的蠕變極限為靜態(tài)強(qiáng)度的30-40%，但應(yīng)力腐蝕的影響，其蠕變極限會(huì)降低到30%以下。同時(shí)，應(yīng)力腐蝕會(huì)降低玻璃鋼的蠕變模量。
3、應(yīng)力腐蝕防護(hù)力學(xué)因素的防護(hù)
減少拉應(yīng)力，使材料的工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力的總和降到腐蝕臨界應(yīng)力以下。包括以下：一是設(shè)計(jì)構(gòu)件合理，不出現(xiàn)應(yīng)力過高集中區(qū)，過度區(qū)域盡量圓角連接；二是制品制造加工過程盡量避免較大溫差變化，避免快速冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力集中以及制品變形。
環(huán)境因素防護(hù)。考慮到應(yīng)力腐蝕對(duì)制品的耐腐蝕性能的影響，在考慮制品對(duì)特定環(huán)境溫度和介質(zhì)濃度耐腐蝕性能時(shí)，需要留夠充分的余量，以避免制品在使用期內(nèi)就發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。
制品制作工藝防護(hù)。時(shí)刻關(guān)注相關(guān)行業(yè)制作工藝的發(fā)展變化，及時(shí)更新現(xiàn)有的舊的不夠先進(jìn)的制作工藝，采用更新的工藝制作滿足要求的優(yōu)良制品，可以降低應(yīng)力腐蝕破壞情況的發(fā)生概率。以玻璃鋼容器為例，現(xiàn)如今玻璃鋼容器很多是使用纏繞工藝制作的，但該工藝不能保證制品表面和結(jié)構(gòu)中不存在缺陷（如，表面劃痕、內(nèi)部夾雜、微孔、裂縫、晶界、相界等）。
制品組成成分防護(hù)。對(duì)于金屬制品來說，通過不斷研發(fā)試驗(yàn)，找到更佳的各元素更佳比例的配方，制造更耐腐蝕的金屬制品以代替對(duì)介質(zhì)或應(yīng)力敏感的材料，比如可以采用抗應(yīng)力腐蝕開裂的不銹鋼系列，如高鎳奧氏體鋼、高純奧氏體鋼、超純高鉻鐵素體鋼等代替普通的不銹鋼材料；對(duì)于玻璃鋼復(fù)合材料，研發(fā)出更好的耐應(yīng)力腐蝕的基體材料以及增強(qiáng)材料，以提高制品的耐應(yīng)力腐蝕能力。用韌性高防腐蝕性能高的基體材料代替脆性大防腐蝕性能低的基體材料，同時(shí)根據(jù)需要采用不同的增強(qiáng)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)增強(qiáng)材料，如耐腐蝕的高性能玻璃纖維的使用以及防腐蝕性能更優(yōu)的碳纖維的使用。
使用過程的防護(hù)。在制品使用過程中，避免內(nèi)或外部沖擊對(duì)制品產(chǎn)生影響，同時(shí)經(jīng)常對(duì)制品進(jìn)行檢查。檢查包括肉眼可見的外觀是否損傷檢查，以及對(duì)內(nèi)部的無損檢測（如采用超聲波檢測等）。對(duì)于檢查出的缺陷，及時(shí)研究出修復(fù)方案，假如無有效修復(fù)方案，應(yīng)該及時(shí)停止對(duì)制品的使用。制品在使用前，有運(yùn)輸和安裝過程，這些過程同樣可能不可避免的要被磕碰，這時(shí)候使用緩沖材料對(duì)制品表面進(jìn)行保護(hù)，避免制品在使用前就產(chǎn)生銀紋或裂紋等缺陷。
還有其它一些防護(hù)，如下：
涂料防護(hù)：對(duì)制品表面涂抹一層防腐蝕涂料進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)；
襯里防護(hù)：在制品內(nèi)部加一層內(nèi)襯層，如耐腐蝕性更高的不銹鋼、鈦、橡膠、玻璃鋼、聚四氟乙烯等，以加強(qiáng)制品的腐蝕。最近，由華東理工大學(xué)華昌聚合物主導(dǎo)的加油站雙壁罐修復(fù)改造，就是對(duì)原有已有腐蝕的鋼制油罐進(jìn)行加入玻璃鋼內(nèi)襯改造，以達(dá)到油罐的使用修復(fù)，延長油罐的使用壽命。
金屬制品的陰極保護(hù)：采用外加電流的陰極保護(hù)可以有效防止金屬制品的應(yīng)力腐蝕。
添加緩蝕劑進(jìn)行處理：在生產(chǎn)條件允許下，可以添加一些防腐蝕劑來提高制品的耐腐蝕性能。
以本人接觸更多的玻璃鋼為例簡單說一下。玻璃鋼材料常規(guī)一般采用不飽和樹脂（包括乙烯基酯、不飽和聚酯等）、環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂以及熱塑性樹脂為基體材料，同時(shí)加入玻璃纖維、碳纖維等為增強(qiáng)材料制作而成。樹脂和纖維都能影響最終制品對(duì)特定介質(zhì)的的防腐蝕能力。個(gè)人認(rèn)為，樹脂對(duì)介質(zhì)的防腐蝕作用更重要，而纖維最大的作用是提供制品的初始強(qiáng)度。所以在提高纖維的防腐蝕能力外，想要保證制品的防腐蝕能力，更重要的是提高樹脂的防腐蝕能力。本文主要說的應(yīng)力腐蝕，若要防護(hù)應(yīng)力腐蝕，首要要保證玻璃鋼材料本身在不受應(yīng)力下就具備對(duì)特定介質(zhì)的防腐蝕能力，這是基本前提。否則，材料本身在不受應(yīng)力下就不耐腐蝕，或者耐腐蝕能力不強(qiáng)，那么應(yīng)力下的防腐蝕能力就更弱。所以，要避免應(yīng)力腐蝕，材料在靜態(tài)下的防腐蝕能力必須提高到一定程度。我們知道，乙烯基酯樹脂的防腐蝕能力（常規(guī)的酸堿性等介質(zhì)的防腐蝕）一般比不飽和聚酯強(qiáng)，所以在選擇基體樹脂材料的時(shí)候，為了防護(hù)應(yīng)力腐蝕等腐蝕的時(shí)候，我們優(yōu)先選擇乙烯基酯樹脂。但考慮到乙烯基酯的價(jià)格較不飽和聚酯高，我們應(yīng)該在保證滿足防腐蝕的條件下，控制乙烯基酯與不飽和樹脂的使用比例，以達(dá)到一個(gè)最佳的防腐蝕與成本控制的平衡點(diǎn)。針對(duì)應(yīng)力腐蝕，一般采用韌性好的基體材料制作的制品比采用韌性差的基體材料制作的制品比能夠更好的防護(hù)應(yīng)力下的腐蝕。所以，為了提高玻璃鋼制品的應(yīng)力腐蝕防護(hù)能力，可以考慮兩個(gè)方面對(duì)基體進(jìn)行研究。一個(gè)方面研究新配方提高樹脂對(duì)特定介質(zhì)的防腐蝕能力，一方面研究新配方提高樹脂的韌性。在韌性不變的前提下提高樹脂防腐蝕的能力，在防腐蝕不變的前提下提高樹脂的韌性，或者兩方面都提高，這些都能提高采用該樹脂制作的最終材料的應(yīng)力腐蝕防護(hù)能力。這里還將提到影響玻璃鋼制品的應(yīng)力腐蝕防護(hù)能力的一個(gè)重要因素，這就是基體與纖維之間的結(jié)合能力，即界面性能。樹脂與纖維界面性能好，玻璃鋼制品的缺陷出現(xiàn)會(huì)少很多；而樹脂與纖維界面性能差，玻璃鋼制品可能會(huì)出現(xiàn)各種缺陷（開裂、分層等），本身有缺陷的制品更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞，因?yàn)閼?yīng)力腐蝕對(duì)缺陷更敏感。上面已經(jīng)提到，制作工藝也會(huì)影響制品的應(yīng)力腐蝕抵抗能力。玻璃鋼制作工藝很多，我們知道熱壓罐成型工藝制作的制品缺陷比真空灌注成型工藝制作的制品更少，但熱壓罐成型工藝的成本也更高。所以，研究成本更低、成品缺陷更少的制作工藝也是玻璃鋼材料應(yīng)力腐蝕防護(hù)需要考慮的問題。
應(yīng)力腐蝕作為材料腐蝕的一種形式，其相比其它腐蝕（物理腐蝕、化學(xué)腐蝕等）的不可預(yù)料性更大，可控性也越差，危害性也越大。了解并做好應(yīng)力腐蝕的防護(hù)因此很有必要。更先進(jìn)的材料發(fā)現(xiàn)、更先進(jìn)的材料制作工藝采用、更先進(jìn)的快速方便的檢測技術(shù)的發(fā)明都將為以后應(yīng)力腐蝕防護(hù)提供保證。
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