壓力容器氫鼓包原因及防范措施

梁建中（山西金象煤化工有限責(zé)任公司 山西晉城048102）

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壓力容器氫鼓包原因及防范措施

梁建中
（山西金象煤化工有限責(zé)任公司 山西晉城048102）

1　容器鼓包現(xiàn)象

山西金象煤化工有限責(zé)任公司“18·30”項(xiàng)目采用CO2汽提法尿素工藝以煤為原料生產(chǎn)尿素，設(shè)計(jì)產(chǎn)能300 kt/a，實(shí)際產(chǎn)能達(dá)到400 kt/a。自2011年10月開(kāi)車(chē)以來(lái)，對(duì)設(shè)備、工藝方面存在的問(wèn)題不斷進(jìn)行優(yōu)化改造。

變換系統(tǒng)采用全低變工藝、鈷鉬催化劑；滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，半水煤氣氣量為122 000 m3/h（標(biāo)態(tài)）。2013年10月20日，凈化車(chē)間操作人員在正常巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)全低變系統(tǒng)出口的冷凝水收集器有輕微的鼓包現(xiàn)象；后再次組織人員進(jìn)行檢查、測(cè)厚，判定設(shè)備容器外壁有3處鼓包，鼓包部位的厚度約為設(shè)計(jì)壁厚的一半。停車(chē)后，徹底檢查容器內(nèi)壁，發(fā)現(xiàn)有166個(gè)鼓包，鼓包的范圍絕大部分在容器的液相部位，氣液交界處最為集中，鼓包面的直徑在30～400 mm，內(nèi)壁鼓包部位測(cè)厚為3～8 mm，其中13個(gè)鼓包已經(jīng)開(kāi)裂，裂紋深度為2～4 mm、長(zhǎng)度為30～100 mm。從裂紋斷口處觀察，斷裂為脆性斷裂，斷口表面經(jīng)分析顯示硫含量較高，裂紋內(nèi)充滿(mǎn)腐蝕產(chǎn)物；外壁鼓包部位測(cè)厚為10～12 mm，說(shuō)明容器板材已經(jīng)分層，分為兩層或多層。后經(jīng)容器切割證實(shí)板材已經(jīng)分層。

2　容器鼓包原因分析

冷凝水收集器設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。由表1得知，氣體介質(zhì)中含有H2S，H2S與水共存時(shí)會(huì)形成濕H2S環(huán)境，進(jìn)而腐蝕Q345R鋼材，生成FeS。

表1　冷凝水收集器設(shè)備參數(shù)

H2S離解反應(yīng)：

陽(yáng)極反應(yīng)：

H2S在水中離解出H+，從鋼材表面得到電子后，還原成氫原子。氫原子間有較大親和力，易結(jié)合成氫分子排出；然而，介質(zhì)中的H2S消弱了這種親和力，部分抑制了氫分子的形成，使原子半徑極小的氫原子很容易滲入鋼材的內(nèi)部，并融入晶格中。滲入金屬中的氫原子會(huì)結(jié)合成氫分子，隨著氫分子數(shù)量不斷增加，其形成的內(nèi)壓不斷增高，引起材質(zhì)界面開(kāi)裂，形成分層，并進(jìn)一步形成氫鼓包；當(dāng)壓力足夠大時(shí)，鼓包部位就會(huì)開(kāi)裂。

在金屬內(nèi)滲透的過(guò)程中，氫原子大多會(huì)聚集在金屬內(nèi)有缺陷的區(qū)域，如金屬夾雜、分層、晶格缺陷等處，聚集形成氫分子。冷凝水收集器鼓包就屬于此種情況，其原因是設(shè)備所用材質(zhì)中含有過(guò)量的非金屬夾雜物以及鋼材存在晶格缺陷。

3　容器鼓包預(yù)防措施

（1）從容器內(nèi)的介質(zhì)方面考慮，消除或減少H2S含量可減輕鋼材的腐蝕。對(duì)于Q345R材質(zhì)，H2S體積分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在5×10-5以下，同時(shí)還應(yīng)控制好溶液的pH在中性條件下，氫對(duì)鋼材的滲透量最低，在酸性、堿性溶液中滲透量較高。Q345R鋼制容器內(nèi)介質(zhì)腐蝕程度見(jiàn)表2。

表2　Q345R鋼制容器內(nèi)介質(zhì)腐蝕程度

（2）從容器材質(zhì)方面考慮：①鋼材內(nèi)S和P的含量對(duì)氫鼓包影響最大，在ω（S）≤0.002%和ω（P）≤0.002%的條件下，發(fā)生氫鼓包的可能性大大降低，因此，必須使用S和P含量低的鋼材。②鋼材的組織對(duì)H2S腐蝕的影響也很重要，對(duì)同一成分的鋼材進(jìn)行合適的熱處理而得到適當(dāng)?shù)慕鹣嘟M織，可充分發(fā)揮鋼材的抗H2S應(yīng)力腐蝕破裂的能力，因此，在制作時(shí)可對(duì)容器進(jìn)行熱處理，尤其對(duì)于較厚的板材焊接成的容器，可減少氫鼓包的產(chǎn)生。③選用鋼材應(yīng)使用空穴少的鎮(zhèn)靜鋼或?qū)錆B透低的奧氏體不銹鋼，也可采用鎳襯里或不銹鋼襯里以及涂刷環(huán)氧瀝青涂層來(lái)減少氫腐蝕。

4　結(jié)語(yǔ)

綜合以上因素，山西金象煤化工有限責(zé)任公司采用了奧氏體304不銹鋼材質(zhì)來(lái)代替原先的Q345R材質(zhì)，以防止H2S對(duì)設(shè)備的氫鼓包腐蝕。更換后至今，在日常檢測(cè)設(shè)備的過(guò)程未發(fā)現(xiàn)有鼓包現(xiàn)象。

收稿日期（2015-02-15）