氨管道在工程設(shè)計中預(yù)防應(yīng)力腐蝕的研究

于 士 淋

（道恩集團煙臺化工設(shè)計院，山東 龍口 265700）

氨管道在工程設(shè)計中預(yù)防應(yīng)力腐蝕的研究

于 士 淋

（道恩集團煙臺化工設(shè)計院，山東 龍口 265700）

為減少和杜絕氨應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，從設(shè)計方面提出氨應(yīng)力腐蝕的一些預(yù)防措施和方法，以及應(yīng)力腐蝕的概念和機理。文中還涉及作者在從事合成氨或氨儲運的工藝設(shè)計過程中一些管道方面的經(jīng)驗積累和心得匯總。按規(guī)范設(shè)計是保證安全生產(chǎn)的前提。

液氨； 應(yīng)力腐蝕； 腐蝕環(huán)境； 防腐措施

所謂應(yīng)力腐蝕，一般是指在拉應(yīng)力作用下，金屬在腐蝕介質(zhì)中引起的破壞。這種腐蝕一般均穿過晶粒，即所謂穿晶腐蝕。應(yīng)力腐蝕由殘余或外加應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變和腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生的材料破壞過程。應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致材料的斷裂稱為應(yīng)力腐蝕斷裂［1］。

從概念和機理上我們可以看出，發(fā)生應(yīng)力腐蝕必須有兩個條件同時具備，即應(yīng)力和腐蝕環(huán)境。可能引起金屬應(yīng)力腐蝕破裂的介質(zhì)（對于碳鋼、低合金鋼材料）有NaOH溶液、硝酸鹽、酸性H2S水溶液（或含 CN-）、海水、液氨、碳酸鹽等；（對于鉻鎳不銹鋼材料）有高溫堿液（NaOH、KOH、LiOH）、氯化物水溶液、聚連多硫酸、高溫高壓含氧的高純水等［2］。本文所涉及的材料和介質(zhì)環(huán)境主要是碳鋼和液氨以及不銹鋼和液氨。

1 液氨設(shè)計過程要全面考慮的環(huán)節(jié)

液氨管道、容器及其他相關(guān)設(shè)備從設(shè)計、制造到使用的各個環(huán)節(jié),如果方法不得當(dāng), 都會對應(yīng)力腐蝕埋下隱患。故預(yù)防腐蝕應(yīng)從設(shè)計、制造到使用過程的整個質(zhì)量保證體系的各個環(huán)節(jié)都采取可靠的措施。主要包括以下幾個方面。

1.1 材料選擇

為了防止應(yīng)力腐蝕, 在綜合考慮操作壓力、殘余應(yīng)力以及安全性和經(jīng)濟性的情況下, 應(yīng)盡可能選用強度較低的鋼材。

1.2 采用合理的結(jié)構(gòu)和焊接工藝

正確的焊后熱處理可以大大降低制造過程中的殘余應(yīng)力, 并可以降低焊接熱影響區(qū)的峰值硬度。

1.3 消除儲罐里面的空氣污染

對投入使用前的新儲罐, 應(yīng)徹底清除里面的空氣；在充裝、排料及檢修等過程中, 采取一定的措施避免帶進任何空氣，用抽氣或蒸騰除去儲罐里面的空氣。總之, 消除儲罐里面的空氣污染, 可以有效地防止應(yīng)力腐蝕。

1.4 定期檢驗和焊縫應(yīng)力處理

新投用的儲罐, 應(yīng)按規(guī)定進行內(nèi)外部檢驗并進行周期性的定期檢驗。補焊前應(yīng)先預(yù)熱加溫以防止焊接硬化, 焊接時宜采用低氫焊條, 焊后進行探傷復(fù)查, 并進行去應(yīng)力處理。

1.5 緩沖劑

液氨中添加≥0.2%的水作緩沖劑，也可作為防止應(yīng)力腐蝕裂紋的輔助措施。另外, 還可加入其它抑制劑，也可有效地抑制液氨引起的應(yīng)力腐蝕。

2 氨管道設(shè)計中應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施

2.1 設(shè)計參數(shù)的確定、材料選擇和焊接工藝

在設(shè)計過的工程中，甲方按自己的生產(chǎn)經(jīng)驗和經(jīng)濟投資，一般要求液氨管道的材料選用20#碳鋼。在充分了解甲方提供的生產(chǎn)工藝的流程和相關(guān)技術(shù)參數(shù)后，對于最高工作壓力（表壓）不超過2.0 MPa（包括管道與設(shè)備直接連接作為一個壓力系統(tǒng)時的設(shè)備的設(shè)計壓力不超過2.0 MPa）［3］，工作溫度范圍在大于-20 ℃小于 50 ℃的氨管道，根據(jù)相關(guān)壓力管道規(guī)范和工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范規(guī)定，可以選用GB/T8163-2008《輸送流體用無縫鋼管》中的材料為 20#的熱軋無縫鋼管［4］。按《山東省液氨儲存與裝卸安全生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范（試行）》和 40b223-1999《石油化工管道及其元件設(shè)計選用》中的要求，液氨管道及管件的公稱壓力大于等于 2.5 MPa，可以選用2.5 MPa公稱壓力，壁厚選用Sch40系列。閥門選用2.5 MPa不銹鋼氨截止閥。法蘭選用與管道同材質(zhì)的 2.5 MPa帶頸平焊凹凸面鋼制管法蘭（HG20592～20635-2009）。管道焊接時，先用氬弧焊進行底部焊道焊接（打底）,再用手工電弧焊按碳素鋼及合金鋼焊接工藝規(guī)程進行焊接。對于最大操作壓力在2.4 MPa的液氨管道，其設(shè)計壓力可選2.6 MPa，管道及管件、法蘭、閥門等選用公稱壓力為4.0 MPa。若氨管道埋地或甲方要求，可選用321不銹鋼材質(zhì)的無縫鋼管，要注意不銹鋼管道的安裝防護措施和焊接焊條的選配。另外不銹鋼管道外壁是不需要涂防銹漆的。

2.2 焊縫焊后熱處理

由于液氨和空氣接觸,能對其所在金屬管道發(fā)生應(yīng)力腐蝕，對有應(yīng)力腐蝕的氨管道焊縫，進行焊后熱處理。焊后熱處理的加熱范圍，每側(cè)不應(yīng)小于焊縫寬度的3倍，加熱帶以外部分應(yīng)進行保溫。焊后熱處理過程中，焊件內(nèi)外壁溫度應(yīng)均勻。焊后熱處理,應(yīng)測量和記錄其溫度。焊后熱處理的加熱速率、處理溫度下的恒溫時間及冷卻速率應(yīng)符合下列規(guī)定［5］：

(1) 當(dāng)溫度升至 400 ℃以上時，加熱速率不應(yīng)大于205(25/T)℃/h，且不得大于330 ℃/h。（T為熱處理部位的最大厚度）

(2) 焊后熱處理的恒溫時間為每25 mm壁厚恒溫1 h，且不得少于15 min，在恒溫時間最高和最低溫差應(yīng)低于65 ℃。

(3) 恒溫后的冷卻速率不應(yīng)大于 260(25/T)℃/h，且不得大于260 ℃/h。400 ℃以下可自然冷卻。

(4) 熱處理后進行返修或硬度檢查超過規(guī)定要求的焊縫應(yīng)重新進行熱處理。

2.3 焊縫焊后熱處理還應(yīng)符合下列規(guī)定［6］

(1) 焊縫焊后熱處理應(yīng)在焊縫外觀檢查及規(guī)定的無損檢驗合格后進行。

(2) 對進行局部加熱熱處理的焊縫，應(yīng)檢查和記錄熱處理溫度及加熱區(qū)域?qū)挾龋瑹崽幚韰?shù)及加熱區(qū)域?qū)挾葢?yīng)符合工程設(shè)計說明的規(guī)定。

(3) 進行局部加熱處理的焊縫，應(yīng)通過硬度測量檢查熱處理效果。

(4) 焊縫的強度試驗及嚴(yán)密度試驗應(yīng)在在射線照相檢驗或超聲波檢驗以及焊縫熱處理后進行。焊縫的強度試驗及嚴(yán)密度試驗按工程設(shè)計說明的規(guī)定。

2.4 氨管道檢驗

(1) 非GC類壓力管道的無損檢查，檢查等級不低于Ⅳ級，即射線照相/超聲波檢查的對接焊縫按5%抽查，其質(zhì)量不低于GB4730標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ級［8］。

(2) GC2級的氨壓力管道的檢查等級不低于Ⅳ級，檢查等級標(biāo)準(zhǔn)見《壓力管道規(guī)范》GB/T20801.1-2006［9］。

(3) 氨管道除常規(guī)的管道試壓、吹掃、靜電接地外，據(jù) GB50072-2001《冷庫設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，氨管道還應(yīng)進行如下試驗：

(a) 氣密性試驗：高壓側(cè)應(yīng)進行1.8 MPa（表壓）。中壓側(cè)應(yīng)進行 1.2 MPa（表壓）的氣密性試驗。應(yīng)采用干燥空氣或氮氣進行，并應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《制冷設(shè)備、空氣分離設(shè)備安裝工程施工及驗收規(guī)范》GB50274有關(guān)規(guī)定執(zhí)行；

(b) 抽真空試驗：當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)剩余壓力小于 5.333 kPa（40 mmHg）時，保持24 h，系統(tǒng)內(nèi)壓力無變化為合格；

(c) 充氨試驗：充氨試驗壓力為0.2 MPa（表壓），系統(tǒng)應(yīng)無泄漏。

2.5 添加緩沖劑或抵制劑

定期檢測液氨濃度和含水率,發(fā)現(xiàn)水分低于臨界濃度應(yīng)及時補充水分,使含水率始終保持在 0.2%～1%的范圍。另外,還可加入其它抑制劑,如加入冷凍機油或菜籽油或硅油作為應(yīng)力腐蝕抑制劑,都可有效地抑制液氨引起的應(yīng)力腐蝕。

3 結(jié)束語

氨生產(chǎn)在我國已經(jīng)不算是新興行業(yè)了，但由氨泄漏或爆炸引起的事故災(zāi)害也時有發(fā)生。在化工行業(yè)越來越興旺的時代，化工安全也越來越受到國家和人民的重視，這也要求我們這些工藝設(shè)計者們，嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計，同時作為化工從業(yè)者，更要按安全規(guī)程生產(chǎn)。只有安全才是保障。

［1］ 束德林．工程材料力學(xué)性能(第六章，第一節(jié))[M].第2版．合肥：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 汪鎮(zhèn)安 等．化工工藝設(shè)計手冊(下冊)[M].第2版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996：3-421．

［3］ 壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道GB/T20801.1-2006(第3部分),中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].2006．

［4］ 工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范GB50316-2000(2008年版) ,中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].2000：104.

［5］ 現(xiàn)場設(shè)備工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范GB50236-98,中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].1998：49．

［6］ 現(xiàn)場設(shè)備工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范GB50236-98,中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S]．1998：74．

［7］ 工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范GB50235-2007,中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S]．1997：36．

［8］ 壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道GB/T20801.1-2006(第5部分),中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].2006：3．

Study on Preventing Stress Corrosion of Liquid Ammonia Piping in Project Design

YU Shi-lin
(Dawn Group Co.,Ltd.Yantai Chemical Design Institute，Shandong Longkou 265700，China）

In order to reduce and even stop the production accident caused by ammonia stress corrosion, prevention measures and methods for stress corrosion of liquid ammonia in design were introduced as well as concept and mechanism of stress corrosion. Some piping design experiences and knowledge about the craft design of ammonia synthesis and ammonia storage and transportation were summed up.

Liquid ammonia; Stess corrosion; Corrosion condition; Anti-corrosive measures

TQ 050.9

A

1671-0460（2011）09-0970-03

2011-06-09

于士淋（1982-），男，山東威海人，工藝工程師，2004年畢業(yè)于山東輕工業(yè)學(xué)院輕化工程專業(yè)，研究方向：從事石化醫(yī)藥工藝工程設(shè)計工作。E-mail：yushilin01@163.com，電話：05358831050。