李素輝 何清松 關成志

（1.西安石油大學材料科學與工程學院，陜西 西安710065；2.中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽471012）

楔形干燥器焊縫開裂原因分析及防范措施

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（1.西安石油大學材料科學與工程學院，陜西 西安710065；2.中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽471012）

楔形粉料干燥器M 301為聚合裝置重要干燥設備，在2012年的檢修過程中發(fā)現(xiàn)楔形粉料干燥器M 301螺桿與葉片焊接處有大量裂紋，在2013年6月的檢修中又進行了補焊，開裂情況嚴重。文中分析了楔形粉料干燥器M 301出現(xiàn)裂紋的原因，并提出解決方法。

聚丙烯；楔形干燥器；氯離子腐蝕；不銹鋼防腐

1 楔形聚丙烯粉料干燥器異常時的基本概況

聚丙烯裝置產(chǎn)出粉料經(jīng)由楔形槳葉干燥器M301干燥后排除濕氣體，排出的濕氣體經(jīng)楔形槳葉干燥器壓力控制閥PV310后進入到C901廢氣系統(tǒng)排火炬，在2013年初楔形干燥器的壓力控制閥PV310長期處于高開度狀態(tài)。在C901系統(tǒng)中的入口過濾器Z903每次排出70～80L積液且排液的次數(shù)增加，并且直接放空閥PV903長期處于全開狀態(tài)，將PV903閥拆開發(fā)現(xiàn)管線中存積約15L液體并且還有惡化的趨勢。

楔形粉料干燥器示意圖如下：

圖1 楔形干燥器側面示意圖

圖2

圖3 楔形粉料干燥器M301濕氣體去路流程圖

楔形聚丙烯粉料干燥器M301排出液相多的原因經(jīng)分析主要是由于楔形聚丙烯粉料干燥器M301內(nèi)部的旋轉軸出現(xiàn)焊縫裂紋多，造成加熱介質蒸汽進入聚丙烯粉料干燥器中，從而與濕物料混合，使排出氣體激增，蒸汽在后路冷凝所致。

2 聚丙烯粉料干燥器焊縫開裂的原因分析

聚丙烯粉料干燥器M301螺桿與槳葉不是一個整體而是采用焊接方法連接，螺桿材料為16Mn碳鋼屬于低合金高強度結構鋼，槳葉為304不銹鋼0Cr18Ni9，屬于奧氏體不銹鋼中的一種。

2.1 晶間腐蝕

在焊接中，奧氏體不銹鋼焊接時不發(fā)生相變，無淬硬和冷裂傾向，但焊接接頭存在晶間腐蝕、熱裂紋和焊接變形大等問題。所謂焊接變形大，就是鋼構件在未受荷載前，由于施焊電弧高溫引起的變形為焊接變形。包括縮短、角度改變、彎曲變形等。如下圖。

圖4 焊接殘余應力的形成及布特征

由現(xiàn)場觀察腐蝕磨損的裂紋主要出現(xiàn)在金屬與合金的晶界區(qū)內(nèi)，故主要為晶間腐蝕。晶間腐蝕破壞晶粒間的結合，大大降低金屬的機械強度，而且腐蝕發(fā)生后金屬和合金的表面仍保持一定的金屬光澤，看不出被破壞的跡象，但晶粒間結合力顯著減弱，力學性能惡化，不能經(jīng)受敲擊，所以是一種很危險的腐蝕。

產(chǎn)生晶間腐蝕的不銹鋼，當受到應力作用時，即會沿晶界斷裂，強度幾乎完全消失，這是不銹鋼最危險的一種破壞形式。晶間腐蝕可以分別產(chǎn)生在焊接接頭的熱影響區(qū)、焊縫或熔合線上，在熔合線上產(chǎn)生的晶間腐蝕又稱刀線腐蝕。不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質量分數(shù)必須大于10%～12%。當溫度升高時，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴散速度大于鉻的擴散速度。因為室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，而一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過此值，故多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如（CrFe）23C6等。數(shù)據(jù)表明，鉻沿晶界擴散的活化能力162～252 KJ／mol，而鉻由晶粒內(nèi)擴散活化能約540 KJ／mol，即鉻由晶粒內(nèi)擴散速度比鉻沿晶界擴散速度小，內(nèi)部的鉻來不及向晶界擴散，所以在晶間形成的碳化鉻所需的鉻主要不是來自奧氏體晶粒內(nèi)部，而是來自晶界附近，結果就使晶界附近的含鉻量大為減少，當晶界的鉻的質量分數(shù)低到小于12%時，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”，在腐蝕介質作用下，貧鉻區(qū)就會失去耐腐蝕能力，而產(chǎn)生晶間腐蝕。

2.2 腐蝕疲勞

在楔形聚丙烯粉料干燥器M301發(fā)生晶間腐蝕后由于楔形聚丙烯粉料干燥器M301是連續(xù)輸送介質，內(nèi)存交變應力，然后造成腐蝕疲勞這一情況，所謂腐蝕疲勞是因交變應力和腐蝕介質的聯(lián)合作用而引起的疲勞斷裂，屬于應力腐蝕中的一種，在力學的疲勞理論中，當合金承受交變應力沒有達到疲勞極限時，材料不會產(chǎn)生疲勞斷裂。疲勞極限為在某一周期數(shù)下不斷裂的最大交變應力?？墒牵诟g環(huán)境中，材料的疲勞極限急劇下降，因為在較低的交變應力下也可能發(fā)生因腐蝕而產(chǎn)生的疲勞，這種情況在震動的過程中容易產(chǎn)生，這樣造成微小腐蝕逐漸惡化，最終成為裂紋。

2.3 氫腐蝕

在楔形聚丙烯粉料干燥器M301發(fā)生裂紋后，軸心蒸汽通過裂紋進入和介質混合，不銹鋼的耐腐蝕性主要由于表面有一層鈍化膜，當裂紋產(chǎn)生后進入蒸汽鈍化膜被破壞，裂紋部位的高濃度金屬離子在縫內(nèi)水解，產(chǎn)生高濃度氫離子，使PH值繼續(xù)下降，然后發(fā)生氫腐蝕。

304不銹鋼在低溫和低鹽酸情況下腐蝕最弱，而在50℃左右、鹽酸濃度在0.3%左右即發(fā)生腐蝕，對于裝置M301粉料干燥器，一般情況控制的溫度在70℃～85℃之間，也就是在氫離子很少的情況下便發(fā)生腐蝕，當蒸汽進入到M301粉料干燥器中和介質混合時，使固化的氯化鎂形成溶液狀態(tài)，溶液中的氯離子使不銹鋼表面的鈍化膜受到破壞，在拉伸應力的作用下，鈍化膜被破壞的區(qū)域就產(chǎn)生裂紋，從而增大了腐蝕面積，使M301粉料干燥器內(nèi)部腐蝕情況更加嚴重。

3 防范措施

需要控制腐蝕，首先需要控制晶間腐蝕，基于奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕通常是晶界產(chǎn)生貧鉻而引起的，因此控制晶間腐蝕可以從控制碳化鉻在晶界的沉積來考慮。

3.1 固溶淬火處理

加熱到1 100℃左右，隨即水淬，由于1 100℃時沉積的復雜碳化物（CrFe）23C6被重新溶解，因此淬火可以防止其再次沉積，從而得到較均勻的合金。在焊接過程中，操作要快，焊后應快冷，盡量減少焊縫兩側母材在敏化區(qū)溫度范圍停留的時間，有經(jīng)驗的電焊工，焊接后常將焊件用水及時冷卻，并用稀硝酸對焊件進行鈍化處理。

3.2 進行退火處理

消除殘余內(nèi)應力，從而防止在后續(xù)加工或熱處理中發(fā)生變形和開裂。

3.3 進行表面氮化

所謂避免氮化是指在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層的一種化學熱處理工藝。經(jīng)氮化處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫性。

3.4 表面噴丸

所謂表面噴丸就是用噴丸進行表面處理，打擊力大，清理效果明顯。但噴丸對薄板工件處理時，容易使工件變形，且鋼丸打擊到工件表面（無論拋丸或噴丸）使金屬基材產(chǎn)生變形，由于F2O4和F2O3沒有塑性，破碎后剝離，而油膜與基材一同變形，所以對帶有油污的工件，拋丸、噴丸無法徹底清除油污。在現(xiàn)有的工件表面處理方法中，清理效果最佳的還數(shù)噴砂清理。噴砂適用于工件表面要求較高的清理。也可采取表面處理技術如鍍鋅、鉻、鎳等方法。

另外生產(chǎn)上還可采取的辦法有三種：第一在實際生產(chǎn)中定期改變擋板高度，從而達到更改交變應力的目的，避免腐蝕疲勞的情況出現(xiàn)。第二增加氮氣通入量，使漏入蒸汽迅速排出，從而避免蒸汽進入后使不銹鋼長期處于氯離子環(huán)境中。第三降低擋板高度，從而使槳葉輸送的濕物料總質量減少，減少槳葉承受的負荷。

4 結論

在聚合裝置中粉料干燥器M301，在正常運行中一直接觸未反應的催化劑其中如氯化鎂、三氯化鈦等，當蒸汽進入到介質空間和輸送介質混合后形成溶液，造成氯離子腐蝕。聚丙烯粉料干燥器一般控制溫度在70℃～85℃左右，在這個區(qū)間段，如果單純接觸固體氯化鎂、三氯化鈦等介質，腐蝕速率并不快，但是一旦一處發(fā)生泄漏進入蒸汽，出現(xiàn)介質和蒸汽接觸的情況，發(fā)生氯離子腐蝕，那么聚丙烯楔形干燥器M301的腐蝕面積會增大到干燥器內(nèi)部與介質接觸的所有面積，從而造成整個干燥器的內(nèi)部腐蝕。

[1]黃建中，左禹材料的耐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)[M].北京：化學工業(yè)出版社：2002：152.

[2]于永泗，齊民.機械工程材料[M].大連：大連理工大學出版社，2008：131-135.

[3]馮興奎.過程設備焊接[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002：76-78.

TQ050

A

1671-0037（2014）02-76-2

2014年2月8日。

李素輝（1980.9-），男，在讀碩士研究生，工程師，研究方向：材料科學與工程。