常見典型壓力容器腐蝕形態及解析

石 巖，張會東

（長春特種設備檢測研究院九臺特種設備檢驗所，吉林長春 130500）

1 腐蝕種類

從腐蝕原理上把金屬的腐蝕可分為化學腐蝕、電化學腐蝕、物理腐蝕。

1.1 化學腐蝕

金屬表面與周圍環境非電解質發生純化學作用而引起的腐蝕損傷，其反應歷程特點是腐蝕在金屬表面上，腐蝕過程中有電子得失但沒有電流產生，腐蝕產物生成于發生腐蝕反應的表面。

1.2 電化學腐蝕

金屬表面與離子導電的電介質發生化學作用而產生的破壞。電化學腐蝕不只是發生在兩種材料之間，材料內部的化學與物理不均勻性如成分偏析、焊接、冷加工變形等可導致材料中產生電位差，形成電化學腐蝕。

1.3 物理腐蝕

是指金屬由于單純的物理作用所引起的破壞，許多金屬在高溫熔鹽、熔堿及液態金屬中可發生此類腐蝕。

2 常見典型壓力容器腐蝕形態及解析

1）壓力容器的腐蝕是由于容器受到內部物料介質及外部環境介質的化學或電化學（包括機械因素共同作用）而發生的破壞。腐蝕破壞是壓力容器失效最常見的形式之一。容器內部的介質很多具有腐蝕性，并常常伴有高溫、高壓、有毒和磨損等工況條件，最容易發生破壞事故。在檢驗過程中失效最多的失效形式為：應力腐蝕開裂、氫腐蝕和高溫氫損傷、滲碳、脫碳、腐蝕疲勞等。下面有兩個具體實例為常見典型壓力容器腐蝕形態及解析。例1，某廠一臺儲罐用于存儲濃度在99.8%以上的液氨，其主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2）在2017年4月進行定期檢驗時發現存在以下問題：

（1）液位計接管與封頭角焊縫沿熔合線開裂，其長度已經超過角焊縫長度的1/3，深度超過5mm。（詳見裂紋示意圖A、圖 B）。

圖1 裂紋示意圖（A，B）

（2）該液位計管口采用了厚壁管插入式整體補強的結構。接管厚度為30mm，且管端切割不規則，焊接外觀較差；由于管理及操作不當，在裝卸液氨的過程中，軟管多次發生泄漏，部分閥門也因腐蝕原因出現氨氣泄漏的狀況，故氣相空間殘存少量空氣。根據以上檢驗中存在的問題得出相應解析為：

①因該容器盛裝液氨，液位計接管處發生開裂的最大可能性的原因是氨應力腐蝕。氨應力腐蝕開裂是指碳鋼和低合金鋼在無水液氨中或銅合金在氨水溶液和/或鹽水溶液環境中的應力腐蝕開裂。

②殘余應力越大氨應力腐蝕開裂敏感性越高。一般來說含水量低于0.005%（質量分數）大于0.2%（質量分數）時開裂敏感性降低。

③溫度低于-5℃ 時氨應力腐蝕開裂幾乎不會發生。由于氨儲罐中儲存的是近似于無水液氨，含水濃度不高于0.2%，且在常溫下保存，管理與操作不當使部分空氣混入增加了開裂的敏感性；同時由于該接管焊接質量差，形成應力集中現象。在焊接殘余應力的共同作用下導致該容器在該部位出現氨應力腐蝕開裂。對于碳鋼而言，無水液氨對碳鋼只產生輕微腐蝕且為均勻腐蝕。而此液氨儲罐在裝卸的過程中，軟管多次發生泄漏，（氣相空間殘存少量空氣）而空氣中的CO2，促進氨對碳鋼的腐蝕?；瘜W反應如下：2NH4+CO2→NH4CO2NH2（氨基甲酸氨）；NH4CO2NH2→NH4++CO2NH2-；O2+2NH4++2Fe→2Fe++2OH-+2NH3；因焊縫處殘余應力較高且反應中的氨基甲酸銨對碳鋼又有強烈的腐蝕作用從而使鋼材表面的鈍化膜產生破裂形成應力腐蝕，在焊縫金屬和熱影響區產生裂紋。預防措施：加強管理，由專業人員進行操作。

3）例2，某煉油廠異構化裝置的堿洗滌塔主體材料為20#，主要設計使用參數如表2所示。2014年投用，使用4個月后注堿（NaOH）溶液開管焊縫處發生開裂。經宏觀檢查發現焊縫裂紋周圍有白色的垢物殘留，裂紋起裂點位于焊縫內表面，沿著接管厚度和焊縫環向擴展，最終穿透壁厚在接管外面的焊縫和熔合線上產生宏觀裂紋，缺陷如圖2所示。根據裝置生產記錄，該注堿口溫度80~130℃ 堿度為30%。

表2 主要技術參數表

圖2 宏觀檢查照片圖

4）根據現狀分析該容器的損傷模式為堿應力腐蝕開裂。因該堿洗塔介質含有較高濃度的堿和水蒸氣，且管道主體材質為碳鋼，又沒有熱處理，故產生堿應力腐蝕開裂。金屬在堿液中的應力腐蝕破裂稱堿脆，它也是一種表面起始開裂的應力腐蝕開裂形式。設備中容易發生NaOH富集濃縮的地方尤其容易出現堿脆。堿脆裂紋的特點是形態一般呈蜘蛛網狀的，數目多，部位在局部應力集中的焊接缺陷處。該堿洗塔材質為20#裂紋主要是沿晶型的，裂紋細小并組成網狀，內部常充滿氧化物，如圖3和4所示。導致堿應力腐蝕開裂有三要素：

圖3 焊縫橫向裂紋金相100X（裂紋沿著近熔線焊縫一側向外表面延伸，嚴重處已貫穿）

（1）管道焊接后，焊縫未經任何熱處理，可能存在很大殘余應力。

（2）堿液是碳鋼發生應力腐蝕的敏感介質，當堿液濃度超過5%時可發生開裂（本裝置堿濃度為30%），隨著堿濃度升高，開裂敏感性增加。

（3）碳鋼在堿液中開裂的臨界溫度為60℃，隨著溫度升高開裂敏感性增加。預防措施：

①加強管理，返修后可進行焊后熱處理。

②選用采用鎳合金代替碳鋼。

③避開溫度和濃度敏感范圍，如增加緩蝕劑等。

圖4 焊縫橫向裂紋金相400X（裂紋曲折向焊合縫外面發展，呈沿晶開裂，裂紋中充滿氧化物，金相組織為珠光體+鐵素體，柱狀晶與等軸晶相間排列，等軸晶晶粒細小，在8級以上）

3 結束語

在檢驗常見典型壓力容器的過程中，要結合實際情況，運用合理的檢驗方法檢驗。對固定式壓力容器所用材質及盛裝介質進行科學分析，了解介質的腐蝕性，對典型腐蝕環境下的材料損傷機理進行初步判斷。進而采取合理的預防措施，減少在用壓力容器的腐蝕，延長壓力容器的使用壽命。