一起碳化塔產生氫鼓包的原因分析

李敏

摘 要：碳化塔檢驗出鼓包，通過檢驗分析確定為低合金鋼在臨氫介質下出現氫損傷，產生鼓包和氫致裂紋。

關鍵詞：氫鼓包

1 概述

在對我市某化肥廠碳化塔進行檢驗過程中發現在塔體上檢出了嚴重的鼓包和裂紋缺陷，經論證確定為氫鼓包和氫致裂紋。

這臺碳化塔是2000年3月生產，質量證明書、產品合格證、監檢證書等資料齊全，材質也符合要求。該碳化塔最高使用壓力為1.3MPa，設計溫度為40℃，筒體壁厚為18mm，筒體材料為16MnR，均符合要求，介質為變換氣、濃氨水、碳酸氫銨及其結晶物。

2 檢驗情況

2.1 本次檢驗為全面檢驗

經對資料審查和日常運行情況了解后，我們制定了檢驗方案，首先對該臺碳化塔內部進行了表面宏觀檢查，發現在該塔底部第二筒節處環氧樹脂防腐層大面積脫落，面積最大處有3000x300mm左右，進一步檢查發現在塔內防腐條件差的地方出現許多鼓包，在這兩筒節上肉眼明顯可見的鼓包合計有23處之多，鼓包直徑大的有150mm左右，小的有50mm左右，鼓包高度從5mm到15mm左右，這些鼓包有的已經有明顯裂紋，裂紋有分支，呈放射狀，其深度貫穿鼓包厚度，鼓包裂紋形態見圖一。

2.2 無損檢測

根據上述情況，對塔體內壁鼓包處進行超聲波測厚，重點為鼓包及其周圍，測厚結果顯示筒體鋼板存在夾層，增加筒體夾層處超聲波探傷，以確定夾層范圍及傾角，具體檢測結果選擇有代表性的幾處，見上表。

壁厚測定顯示夾層基本是與鋼板表面平行的。

超聲檢測未發現其他部位存在超標缺陷。

2.3 金相檢查

在筒體材料鼓包處做50倍現場金相檢查，組織為鐵素體+珠光體，未見組織有明顯變化。

3 鼓包的原因分析

從碳化塔正常操作情況來看，壓力、溫度不高，可以排除高溫蠕變變形及其他外界條件引起的鼓包變形，碳化塔內介質為變換氣、濃氨水、碳酸氫銨及其結晶，屬于臨氫介質。碳化塔筒體材料為16MnR為低合金鋼，金相組織為鐵素體+珠光體，點陣結構為體心立方晶格，氫在其中的擴散系數為4.0×10^-7cm/s，較其他幾種鋼都高，發生氫損傷的適宜溫度為-100℃～100℃。

碳化塔內介質成溶液狀態存在，在介質內會電離出氫離子，H+主要可以通過下列化學反應而存在：

①（NH₄）₂CO₂+H₂O→NH₄⁺+HCO₃^-+NH₃H₂O

②HCO₃^-→H⁺+CO₃^2-

③NH₃→N^₃-+3H⁺（氣體熱分解）

H+和鋼板表面的電子結合形成氫原子，筒體材料的體心立方晶格結構很容易溶解氫，溶解的氫在金屬中大部分以氫原子形式存在，由于氫的原子半徑非常小，這一部分氫可以在金屬晶格中自由擴散形成擴散氫，鋼中的擴散氫非常容易在晶粒中的位錯、顯微缺陷、非金屬夾雜物邊緣等應力集中處受應力誘導、相變誘導等因素作用而發生聚集。聚集的氫結合成分子氫使直徑增大而失去擴散能力成為殘余氫。

圖二 ?氫鼓包形成過程示意圖

如果鋼板存在夾層等宏觀缺陷，殘余氫會隨著擴散的不斷進行而越聚越多，結合成的分子氫形成的壓力就會不斷增高，最后壓力可達上萬兆帕，從而造成夾層處鼓包稱為氫鼓包。鼓包的直徑可達幾十到一百多毫米，鼓包處的金屬因氫損傷使塑性降低產生裂紋成為氫致裂紋。氫鼓包的形成過程可用圖二表示。

4 結論

碳化塔筒體材料的選擇應符合相關標準要求，特別是要控制好非金屬夾雜物的含量，不能有夾層等宏觀缺陷存在。

由于碳化塔內介質屬于臨氫介質，鋼板中的擴散氫會在鋼板缺陷處聚集形成分子氫，從而產生高壓使鋼板出現鼓包。鋼板中的非金屬夾雜物在軋制過程中會形成平行于鋼板表面的夾層，是產生鼓包的誘因之一。

由于鼓包的數量和面積較大，無法保證碳化塔安全運行，建議做更換筒節修理。