武永紅

(中國(guó)石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南　250101)

中國(guó)石化濟(jì)南分公司石蠟成型裝置采用液氨冷卻系統(tǒng)，液氨儲(chǔ)罐D(zhuǎn)-111于2007年投用，2015年4月到期進(jìn)行全面檢驗(yàn)，開(kāi)罐發(fā)現(xiàn)內(nèi)部焊縫出現(xiàn)大面積裂紋，就產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，提出修復(fù)、防治措施。

1　全面檢測(cè)

1.1　宏觀檢查

石蠟液氨儲(chǔ)罐2010年首檢時(shí)未發(fā)現(xiàn)異常，各項(xiàng)參數(shù)在允許范圍內(nèi)。2015年4月，開(kāi)人孔后進(jìn)入內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫、縱焊縫處存在宏觀裂紋，集中分布在液面以下，而封頭拼接焊縫、容器上部焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋。打磨焊縫余高后，裂紋仍然存在,見(jiàn)圖1。

圖1　焊縫宏觀裂紋1

1.2　超聲檢測(cè)

儲(chǔ)罐筒體公稱厚度26mm，選取測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壁厚檢測(cè)，筒體母材最小厚度25.2mm，而對(duì)焊縫裂紋處外表面處檢測(cè)，厚度約22mm，裂紋深度約4mm。在相應(yīng)位置打磨試圖消除裂紋，打磨5mm后仍存在裂紋，說(shuō)明裂紋深度較大，見(jiàn)圖2。

圖2　焊縫宏觀裂紋2

1.3　著色檢查

圖3　焊縫裂紋著色1

圖4　焊縫裂紋著色2

為進(jìn)一步觀察裂紋形態(tài)，對(duì)焊縫進(jìn)行著色觀察，從圖3、圖4發(fā)現(xiàn)裂紋大多數(shù)與焊縫垂直，在裂紋的末梢伴有大量的分叉，周?chē)写罅康亩瘟鸭y形成，根據(jù)裂紋形態(tài)，初步判定為應(yīng)力腐蝕裂紋。

2　腐蝕裂紋產(chǎn)生原因分析

根據(jù)應(yīng)力腐蝕理論，液氨儲(chǔ)罐發(fā)生應(yīng)力腐蝕有3個(gè)基本條件，即材料處于拉應(yīng)力狀態(tài)；對(duì)腐蝕介質(zhì)具有敏感性；儲(chǔ)存的介質(zhì)是特定的腐蝕介質(zhì)。只有同時(shí)具備這三個(gè)條件時(shí)才會(huì)在發(fā)生應(yīng)力腐蝕，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋[1-3]。

2.1　應(yīng)力狀態(tài)分析

2.1.1制造過(guò)程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力

通過(guò)檢查，液氨儲(chǔ)罐全部焊縫為手工焊接，在內(nèi)部環(huán)焊縫處存在錯(cuò)邊、組對(duì)間隙超差，表明在安裝時(shí)采用了強(qiáng)制組裝。由于強(qiáng)制組裝，組對(duì)焊縫中造成了很高的拘束應(yīng)力，同時(shí)在焊接過(guò)程中，由于溫度變化引起的焊接熱應(yīng)力，焊接接頭組織變化引起的組織應(yīng)力等。所以使焊縫中不可避免地產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力的集中及疊加，使近縫區(qū)的應(yīng)力水平達(dá)到了較高的峰值，特別是拉伸應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)罐構(gòu)成了威脅，使其具備了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件。強(qiáng)制組對(duì)產(chǎn)生的錯(cuò)邊使得焊接結(jié)構(gòu)不連續(xù)，在腐蝕介質(zhì)中，會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，表面產(chǎn)生微裂紋，在拉應(yīng)力的作用下，微裂紋的端部應(yīng)力集中，加速了裂紋的擴(kuò)展，裂紋內(nèi)的新鮮表面在腐蝕介質(zhì)的作用下繼續(xù)腐蝕，反復(fù)循環(huán)，使這些裂紋源產(chǎn)生的微小裂紋得到了進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.1.2操作條件下產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力

液氨儲(chǔ)罐在實(shí)際操作中液位維持較低，僅作為制冷系統(tǒng)中補(bǔ)充液氨用。儲(chǔ)罐在2007年投用以來(lái)，由于生產(chǎn)計(jì)劃的變更，檢修計(jì)劃的實(shí)施，一直處于間歇性投用狀態(tài)，2010年、2012年、2014年停用期間退凈物料。

2.2　材料敏感性分析

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與金屬材料關(guān)系密切，金屬材料的冶煉方式、化學(xué)成分、組織，晶粒度、晶格缺陷及其分布都會(huì)對(duì)應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生影響。儲(chǔ)罐的材質(zhì)為16MnDR，屬于普通的低合金高強(qiáng)鋼，相對(duì)于16MnR，其硫、磷含量更低，性能滿足使用條件，一般情況下在純液氨環(huán)境中不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。設(shè)備的焊后熱處理會(huì)讓絕大部分普通鋼，失去敏感性。儲(chǔ)罐裂紋集中于罐體焊縫內(nèi)表面，而封頭處裂紋較少，考慮到熱處理深度，由于封頭處制造過(guò)程中先經(jīng)過(guò)充分熱處理，消除了部分殘余應(yīng)力，而罐體焊縫存在熱處理深度不足，導(dǎo)致材料敏感性上升。對(duì)于母材強(qiáng)度越高，焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋的傾向也越大。

2.3　腐蝕環(huán)境分析

2.2.1腐蝕介質(zhì)

從理論上講，純凈的液氨由于沒(méi)有電解質(zhì)產(chǎn)生，不會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，對(duì)碳鋼或低合金鋼不會(huì)造成腐蝕。只有液氨受到CO2、O2污染時(shí)，才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為氨致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是陽(yáng)極溶解型，液氨中混入微量的氧、二氧化碳是引起應(yīng)力腐蝕的主要原因。液氨生成腐蝕介質(zhì)的反應(yīng)式如下：

2NH3+CO2→NH4CO2NH2

在反應(yīng)中產(chǎn)生的氨基甲酸氨(NH4CO2NH2)對(duì)鋼表面有強(qiáng)烈的腐蝕作用。在含O2的液氨中，鋼表面吸附O形成氧膜，使腐蝕電位成正。當(dāng)鋼材表面受力應(yīng)變后，產(chǎn)生微觀的滑移臺(tái)階。此處鋼表面的氧化膜產(chǎn)生了破裂，暴露出新鮮的表面與有氧膜的金屬表面組成微電池，產(chǎn)生快速溶解，在沒(méi)有其他雜質(zhì)存在時(shí)，O能在裸露金屬表面上再成膜，抑制應(yīng)力腐蝕破裂的產(chǎn)生。在局部高應(yīng)力的作用下，這個(gè)陽(yáng)極溶解反應(yīng)不斷進(jìn)行從而使應(yīng)力腐蝕裂紋不斷擴(kuò)展。在低濃度氨環(huán)境中，儲(chǔ)罐上部氣相接觸區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯腐蝕裂紋，間接驗(yàn)證了腐蝕程度與濃度關(guān)系。

從使用過(guò)程來(lái)看，液氨系統(tǒng)開(kāi)工過(guò)程中利用N2試壓，再利用水環(huán)真空泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空。因此，過(guò)程中不可避免的存在少量H2O、CO2、O2等，具備發(fā)生腐蝕的條件。

2.2.2操作溫度

作為貯存罐，本設(shè)備操作溫度為常溫，條件遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)溫度。由于液氨應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是一個(gè)電化學(xué)腐蝕過(guò)程, 設(shè)備的使用溫度對(duì)液氨設(shè)備發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂有著極為明顯的影響，溫度的升高無(wú)疑有利于腐蝕的進(jìn)行。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，低溫儲(chǔ)存-33℃液氨的設(shè)備, 從未發(fā)現(xiàn)過(guò)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

綜合上述的分析，由于該儲(chǔ)罐具備了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的3個(gè)條件，且裂紋的形態(tài)特征及擴(kuò)展特征與應(yīng)力腐蝕裂紋的特征一致。因此，可確定氨致應(yīng)力腐蝕是造成液氨儲(chǔ)罐產(chǎn)生表面裂紋的主要原因。

3　裂紋缺陷修復(fù)

(1)對(duì)于淺層裂紋，利用磨光機(jī)打磨消除，防止裂紋擴(kuò)展，打磨后壁厚不得小于最小允許壁厚。

(2)對(duì)于深層裂紋，采用氣刨方式清除裂紋，觀察缺陷情況，確保缺陷消除，然后依據(jù)圖紙和相關(guān)規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)焊。本設(shè)備裂紋數(shù)量多，分布面積大，單純通過(guò)打磨消除裂紋已無(wú)法滿足要求，為安全起見(jiàn)，從現(xiàn)場(chǎng)拆走設(shè)備到廠房?jī)?nèi)進(jìn)行修復(fù)。

(3)焊后進(jìn)行設(shè)備整體熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力，控制焊接接頭(包括熱影響區(qū)) 的硬度值不超過(guò)225BHN。

(4)缺陷修復(fù)完成后，依據(jù)《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》NB/T 47013-2015進(jìn)行了全面檢測(cè)，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(5)建議根據(jù)陽(yáng)極溶解模型，采用熱噴涂技術(shù)來(lái)保護(hù)設(shè)備，在焊縫及其熱影響區(qū)和附近的母材上噴涂一層電位比基體金屬更低的金屬，被噴涂上的金屬在介質(zhì)中成為新的陽(yáng)極，則可用犧牲陽(yáng)極的方式保護(hù)基體金屬。噴涂上的金屬雖然可以覆蓋絕大部分焊縫區(qū)的基體金屬，起到較好的隔離保護(hù)作用，但噴涂層中不可避免地會(huì)有孔隙存在，液氨介質(zhì)就有可能穿過(guò)孔隙接觸到基體金屬，此時(shí)電位更低的噴涂金屬就成為腐蝕的陽(yáng)極，從而保護(hù)了基體金屬。本次因處理?xiàng)l件限制，未對(duì)設(shè)備進(jìn)行熱噴涂。

4　工藝措施

(1)開(kāi)工過(guò)程中利用氮?dú)庠噳?，低點(diǎn)排空，盡量趕凈空氣。

(2)使用過(guò)程中定期利用氨冷系統(tǒng)中空氣分離器排除系統(tǒng)中空氣。

(3)嘗試在液氨中加入稍大于0.2%的水，有效降低鋼材在液氨中的應(yīng)力腐蝕傾向，使破壞的薄膜重新鈍化，起到緩蝕作用。

5　結(jié)論

(1)從應(yīng)力腐蝕機(jī)理方面分析液氨儲(chǔ)罐氨致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂發(fā)生的原因，制造到使用環(huán)境，多方面導(dǎo)致裂紋發(fā)生擴(kuò)展。

(2)針對(duì)設(shè)備發(fā)生裂紋，提出修復(fù)方案，減少后期裂紋的產(chǎn)生。

(3)合理選擇工藝操作條件，提出預(yù)防氨致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的措施，后期加強(qiáng)儲(chǔ)罐監(jiān)控，定期檢驗(yàn)?zāi)晗捱m當(dāng)縮短。