钢制压力容器腐蚀及开裂分析
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钢制压力容器腐蚀及开裂分析
近几年来,锦州石化公司、茂名石化公司、大庆石化总厂、天津石化公司、延安炼油厂的催化裂化装置再生器在运行中相继出现大量裂纹,对装置的安全运行构成了严重威胁,就其预防措施进行分析。
标签:压力容器;腐蚀;敏感性;开裂
1 硝酸盐应力腐蚀预防措施
提高容器壁温在水蒸气的露点以上;消除残余应力,去应力退火的温度不得低于500℃;选择合适的钢种,如C0.8%的低合金钢;调节溶液的PH值,加入缓蚀剂(如适量的NaOH)。
2 氯化物应力腐蚀
2.1 不锈钢热交换器的应力腐蚀开裂
某化工厂氨合成塔净化系统的煤气换热器,1976年投入运行。换热器进口端蒸汽温度220℃,出口端温度350℃,压力3.2MPa。换热器介质重油裂化煤气加蒸汽,换热器管内为含有氯离子(4~30mg/L)和氧的湿蒸汽。1980年9月,该换热器进口端与法兰连接并距法兰2m处的管道发生开裂。管道材料为1Cr18Ni9Ti,尺寸为Φ32×8。开裂成扇形板状,展开宽度尺寸最大部位相当于该管的周长,开裂长度为 1.2m。起裂位置在进口端环焊缝的焊接缺陷处。事故后进行检查发现,换热器封头(第一筒节)有长度为17.5~26mm,深度为3mm的裂纹,第二筒节纵焊缝亦有相似的裂纹。在出口端法兰与接管连接的环焊缝两侧内壁有许多垂直焊缝相互平行的轴向裂纹。
试验分析结果:①化学成分、力学性能正常;②材料有好的抗晶间腐蚀性能;
③裂纹由管道内表面向外表面扩展,明显分岔,呈树枝状,均为穿晶型;④打开裂纹后,观察断口裂纹源区有致密的腐蚀产物,宏观特征为脆性,微观特征为解理加二次裂纹;⑤没有发现氢损伤现象;⑥通过模拟试验,说明在焊缝附近存在较大的残余应力。
结论:裂纹属于应力腐蚀开裂,是由于焊接残余应力较大和存在氯离子、氧、H2S(H2SxO6)CO2介质引起的。
2.2 不锈钢氦气储罐的应力腐蚀开裂
美国某厂用304型不锈钢制作的氦气储罐,尺寸为Φ700×3(t)×1000(H)mm,用于压力重水反应堆的内核。在尚未投入使用的4年存放期间,发生了氯化物应力腐蚀开裂。裂纹位于碟形封头端部与筒体焊接的热影响区,封头是冷加
工成形的,未经过应力处理。存放的环境为海岸大气。
主要试验结果:①将裂纹试样打开后,用扫描电镜观察断口,发现只有在焊接热影响区为沿晶特征,在融合区的基体均为穿晶特征;②化学分析表明封头材料的碳含量为0.09%,接近上限;③采用ASTM A262,E规定的沿晶腐蚀试验方法,可以确认热影响区组织敏化,而其它区域未敏化;④裂纹分析指出开裂起始于外表面,在热影响区中都是沿晶的,具有SCC的裂纹分叉典型特征;⑤硬度检验结果为,筒体181HV,焊缝176HV,封头310HV。
结论:高的残余应力、组织敏化、海岸大气环境导致了储罐的氯化物应力腐蚀开裂。建议采用低碳的304L不锈钢和较小的冷变形量预防热影响区的每化倾向。
3 高温碳环境炉管的金属尘化腐蚀
南京某石化厂的一台脱氧进料加热炉的9Cr-1Mo炉管,只使用了5年内壁局部区域出现了严重腐蚀。炉管尺寸为Φ141.3×6.55,管内介质主要为烷烃和氢气。工作参数为:压力0.516MPa,介质入口温度374℃,出口温度499℃,炉膛温度850~870℃,炉管外壁温度620~650℃。
炉管内壁腐蚀的形貌是完整地覆盖在金属表面的结焦层,厚度为0.1~10mm,结焦层局部脱落处形成一个个圆窝状的腐蚀坑,许多密集凹坑相互连接便形成了粗大的腐蚀沟槽。腐蚀坑的底部有疏松黑色粉尘,粉尘下面则是光洁的金属表面。金相显示这层黑粉下的金属已经发生严重渗碳,深度可达1.9mm。黑粉的成分主要是碳黑,但是有金属粉粒,而且离金属表面越近,金属粉粒越多也越大。金相还显示腐蚀坑底会形成腐蚀裂缝,裂缝下部为裂纹,腐蚀裂缝周围也严重渗碳。腐蚀裂缝周围金属有明显被挤压变形的痕迹。抚顺石油二厂的1Cr5Mo 石油裂解炉管、上海高桥石油化工厂的裂解炉合金弯管也发生过这种腐蚀。
炉管是管式加热炉的关键构件,炉管的失效模式有很多种,高温腐蚀及腐蚀与应力的交互作用是常见的两种。高温腐蚀中有高温氧化、渗碳、硫化、氢腐蚀、燃灰腐蚀及金属尘化,尤以金属尘化是最具有危险性的高温腐蚀现象。
金属尘化(metal dusting)腐蚀或称为灾难性渗碳(catastroophic carburization)腐蚀的特殊性是腐蚀产物中有金属粉粒,腐蚀速度快、后果严重。金属尘化是指如铁、铬、镍、钴及其合金在高温含碳环境下碎化为由金属碳化物、氧化物、金属和碳(石墨)等组成的混合物所引起的金属损失行为。它一般发生在450~850℃的温度范围,有时在1000℃时也能发生,与不同材料在不同温度、气氛下对金属尘化的敏感性不同有关。
4 结语
对安全生产不造成危害的缺陷允许存在;对安全性虽不造成危害但会进一步扩展的缺陷,要进行寿命预测,并允许在监控下使用;若含缺陷结构降级使用时
可以保证安全可靠性,可降级使用;若含有对安全可靠性构成威胁的缺陷,应立即采取措施,返修或停用。
参考文献
[1]陈学东.在用重要压力容器与管道安全诊断与爆炸监控[C].合肥通用机械研究院,2003-11-23.