壓力容器錐形封頭局部區域的腐蝕失效分析

管亞軍，楊 斌，周運武

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北武漢430080）

壓力容器錐形封頭局部區域的腐蝕失效分析

管亞軍，楊 斌，周運武

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北武漢430080）

特殊工況運行下的錐形封頭式壓力容器，由于封頭結構的特殊性，使得其在運行中經常受到流體工作介質的沖刷，錐形封頭處不可避免地會出現壁厚因腐蝕而減薄，從而引起壓力容器的失效。本文利用應力強度校核的方法對壓力容器錐形封頭因局部腐蝕引起的壁厚減薄失效事故進行分析，并對預防措施進行討論。

壓力容器；錐形封頭；局部腐蝕；失效分析；預防措施

隨著現代工業的不斷發展，石油、化工、冶金等行業工況運行條件的特殊化，使得特殊結構的壓力容器運用越來越普遍[1]。某單位在用流體輸送罐的工作介質為燒結鐵礦產生的除塵灰和空氣的混合物，其基本結構見圖1，上部為橢圓形封頭，下部為錐形封頭。2016年12月定期檢驗時，經檢測發現，容器下部錐形封頭正對上封頭管道介質進口直沖處，出現明顯的壁厚減薄現象，利用超聲測厚儀測得此處壁厚δmin=3.25 mm，其他部位正常，初步判斷容器下部錐形封頭局部區域發生了沖刷腐蝕。

錐形封頭壓力容器的相關設計參數如表1所示。

表1 壓力容器的相關設計參數

錐形封頭壓力容器的基本結構如圖1所示。

圖1 流體輸送罐及局部腐蝕部位測厚放大圖

利用內窺鏡對錐形封頭初步判斷的局部沖刷區域進行觀察，容器下封頭局部區域表面腐蝕情況如圖2所示。

圖2 錐形封頭局部區域表面腐蝕圖

針對該壓力容器局部腐蝕情況，下面將詳述對壓力容器錐形封頭因局部腐蝕引起的壁厚減薄失效事故進行分析，并對預防措施進行討論。

2 錐形封頭的強度校核

定期檢驗過程中，容器壁厚測量發現異常后，立即引起檢驗人員的高度重視。利用超聲測厚儀及內窺鏡，經過反復測量分析，確定該處局部腐蝕形狀大致為一圓形區域，初步確定以最薄處3.25 mm為圓心，半徑約為65 mm的圓形區域（見圖1），具體測厚數值見表2.

表2 局部腐蝕部位測厚數值表

依據《壓力容器定期檢驗規則》和《鋼制壓力容器》（GB150-2011）有關規定[1-2]，決定對錐形封頭進行壁厚強度校核，校核公式如下：

式中，δc為錐殼計算厚度（mm）；Pc為計算壓力，取安全閥開啟壓力Pc=0.95 MPa；Dc為錐殼計算內直徑，Dc=1 000 mm；[σ]t為設計溫度下錐殼所用材料的許用應力，查表知[σ]t=113 MPa；φ為焊接接頭系數，受壓時取φ=1.0；α為錐殼半頂角，測量計算得α=22.5°.

將上述數據代入公式（1），得：

δc=4.57 mm＞δmin=3.25 mm.

由此得出結論：錐形封頭強度校核不合格。這意味著該容器在最高使用壓力為0.90 MPa的運行條件下，已無法滿足強度要求。

3 錐形封頭的腐蝕成因分析

3.1 金屬腐蝕的分類

金屬腐蝕是指金屬與周圍介質發生化學或電化學作用而產生的破壞。依據金屬腐蝕機理，可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類。化學腐蝕是指金屬與非電解質直接發生化學作用而引起的破壞，腐蝕過程是一種純氧化和還原的純化學反應，即腐蝕介質直接同金屬表面的原子相互作用而形成腐蝕產物，反應過程中沒有電流產生，其過程符合化學動力學規律，如鉛在四氯化碳或乙醇中的腐蝕，金屬在高溫氣體中剛形成膜的階段都屬于化學腐蝕；電化學腐蝕是金屬與電解質溶液發生電化學作用引起的破壞，如金屬在海水、大氣、各種酸堿鹽溶液中發生的腐蝕都屬于電化學腐蝕[5-6]。

依據金屬破壞的特征，可將金屬腐蝕分為整體腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕是指腐蝕破壞作用發生在整個金屬表面上，使壓力容器的整體壁厚逐漸減薄；局部腐蝕是指腐蝕在金屬的局部集中發生，使金屬在小范圍內受到腐蝕破壞，而其他部分幾乎沒有腐蝕或腐蝕很輕微，是較全面腐蝕危險的多的腐蝕形態[7]。因為整體腐蝕的特征明顯，且腐蝕速度相差不大，容易推算出腐蝕的速度，進而估算失效的損失和更換設備的時間，達到設備利用的最大化。相反，局部腐蝕是容器的局部區域發生腐蝕破壞，這種破壞往往是隱秘且不易發現。此外，局部腐蝕的反應機理和反應條件更加復雜，所以無法確定其反應速率，這樣就會容易出現容器的突然破壞和事故的發生，造成重大的人員傷亡[8]。局部腐蝕的類型很多，常見的有沖擊腐蝕（亦稱磨損腐蝕）、小孔腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕等。

3.2 錐形封頭局部腐蝕的原因分析

該容器其它部位厚度值正常，僅在上封頭管道介質進口直沖處（即錐形封頭上）壁厚有減薄現象，結合金屬腐蝕的分類和容器的介質，分析判斷該處的減薄是由于沖擊腐蝕和電化學腐蝕共同作用引起的。

沖擊腐蝕是指金屬表面與流體介質（不論是否具有腐蝕性）之間由于高速相對運動而引起的金屬損壞現象，尤其流體中懸浮較多較硬的固體顆粒時，更會加劇這種破壞。一般來說，相對速度越高，流體中懸浮的固體顆粒越多越硬，則沖擊腐蝕速度越快，常見于壓力容器介質進口直沖處或介質走向突然變化處。

另外，容器的介質主要為燒結礦除塵灰和空氣，其中除塵灰主要成分有TFe、SiO2、CaO、MnO、MgO、Al2O3、P2O5、TiO2、硫化物等。由于除塵灰粒度細、比表面大，故吸水性強，水分含量多。空氣中含有少量SO2，在干燥的環境中，SO2腐蝕作用很弱，但如果與水結合在一起，生成亞硫酸，PH值（是影響腐蝕的一個重要因素）可達3，將會對金屬產生較強的腐蝕作用。

該容器正常工作狀態時，上封頭管道介質進口直沖處的金屬表面鈍化膜和金屬離子因受高速的固體粉塵顆粒流體沖擊，在金屬表面產生壁面剪應力，致使其鈍化膜或覆蓋層產生機械損傷離開金屬表面，發生沖擊腐蝕，新鮮的金屬表面不斷被沖刷磨損。此時，被沖擊腐蝕形成的新鮮的金屬表面與亞硫酸發生電化學腐蝕，不斷向材料內部擴展。循環往復，形成材料鈍化—流體沖刷—電化學腐蝕破壞—再鈍化交替的破壞過程，最終導致沖刷處壁厚減薄。

4 事故的處理及預防措施

4.1 事故的處理

根據TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》和《壓力容器定期檢驗規則》有關規定[3]，要求使用單位立即停止使用該設備，同時建議使用單位按相關程序找有資質的單位維修處理。由于錐形封頭結構的特殊性，最終確定對局部腐蝕部位補焊，并在介質進口直沖處上方加設緩沖板（見圖3），以預防沖擊腐蝕的再次發生。經過近幾個月的試運行，檢測局部腐蝕處及其周圍壁厚未有減薄現象，事故處理取得預期效果。

圖3 在介質進口直沖處上方加設緩沖板

4.2 預防措施

抑制沖擊腐蝕造成壓力容器失效的有效的方法，是正確選材和合理結構設計。

正確選材是最重要的防腐蝕方法。首先要考慮耐蝕性能，其次考慮耐磨性，提高材料的硬度，軟的金屬材料在沖擊腐蝕條件下，易于因磨損而加速破壞。選材的目的是保證壓力容器能正常運行，且有合理的使用壽命和最低的經濟支出，同時必須綜合考慮和分析容器所處的介質、溫度、壓力和環境條件等運行條件。

結構設計不當時，在腐蝕性流體介質的沖刷下，往往在很短時間內造成壓力容器的失效破壞。降低流速（在輸送流體容量一定的條件下，增加管徑可降低流速），對受流體沖刷部位加厚和熱處理，盡量避免結構截面尺寸和形狀突變，在流體沖刷部位加設緩沖板，在流體進口處安裝器，過濾懸浮的固體顆粒，采用涂鍍層技術保護材料表面等措施，可以減小或避免沖擊腐蝕的發生。

5 結論

壓力容器上封頭管道介質進口直沖處在高速流體的沖刷下，表面的鈍化膜或覆蓋層產生機械損傷離開金屬表面，發生沖擊腐蝕，新鮮的金屬表面不斷被沖刷磨損，并與燒結礦尾氣中SO2、空氣和除塵灰中的水結合生成的亞硫酸發生電化學腐蝕，不斷向材料內部擴展，循環往復，最終導致封頭直沖處壁厚減薄，強度減弱而失效，無法滿足容器的安全穩定運行。因而在設備管理過程中，應加強日常監控，對易發生沖擊腐蝕的部位定期測厚，及時發現問題，隨時掌握其安全技術狀況，發現問題及時處理。

[1]GB150-2011.鋼制壓力容器[S].

[2]TSG R7001-2013.壓力容器定期檢驗規則[S].

[3]SG 21-2016.固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

[4]李永平.淺析化工壓力容器的防腐蝕措施[J].化學工程與裝備，2010（4）：45-47.

[5]薛國成，李曉蕾.淺析壓力容器內部腐蝕及緩蝕對策[J].工程計術，2015（39）：153.

[6]任凌波，任曉蕾.壓力容器腐蝕與控制[M].北京：化學工業出社，2003.

[7]閆康平，陳匡民.過程裝備腐蝕與防護[M].北京：化學工業出社，2009.

[8]吳粵燊.壓力容器安全技術手冊[M].北京：機械工業出版社，1999.

Corrosion Failure Analysis of LocalRegion for Condenser Tape of Pressure Vessel

GUAN Ya-jun，YANG Bin，ZHOU Yun-wu
（Research and Development Center ofWuhan Iron and Steel（group）crop，Wuhan Hubei430080，China）

Under special operating conditions of taper head type pressure vessels，for its special nature of the head structure，it often makesmedium erosion by the fluid working in the operation，taper head inevitably appears wall thickness thinning due to corrosion，it causes pressure vessel failure.In this paper，the pressure vessel tapered head forms local corrosion caused by wall thickness reduction failure accident analysis，and preventive measureswill be discussed.

pressure vessel；taper head；local corrosion；failure analysis；precautionarymeasures

TH49

A

1672-545X（2017）04-0152-03

2017-01-11

管亞軍（1989-），男，湖北武漢人，碩士，助理工程師，主要從事過程裝備與管道的結構設計及安全可靠性研究