高壓氨水管道泄漏分析及處理方法

河北鋼鐵集團承鋼公司維護檢修管控中心 王強濤

中灤煤化工有限公司一期、二期高壓氨水管道經(jīng)常發(fā)生焊口開裂事故，造成氨水泄漏，處理起來比較困難。根據(jù)多年的工作經(jīng)驗，對這一問題發(fā)生原因及解決方法做簡單的介紹。

一、氨水管道的腐蝕原因分析

1.電化學(xué)腐蝕

循環(huán)氨水冷卻煤氣時，煤氣中一定量的氨、二氧化碳、硫化氫、氰化氫和其他組分溶解于循環(huán)氨水中，以揮發(fā)銨鹽 [(NH4)2S、 NH4CN、 (NH4)2CO3等 ]和 固 定 銨 鹽 [NH4Cl、NH4CNS、(NH4)2SO4和(NH4)2S2O3等]的形式存在于循環(huán)氨水中。另外，由于2個煤氣凈化系統(tǒng)的煤氣脫硫裝置均采用克勞斯法生產(chǎn)硫磺的工藝，夾帶有H2S、SO2和Sx等克勞斯尾氣進入氣液分離器前荒煤氣管道中后，在氨水中溶解并反應(yīng)生成SO32-、SO42-、CNS-等離子，故循環(huán)氨水中的銨鹽含量略高于其他的工藝。循環(huán)氨水中濃度：SO32-為0.7~0.9g/L、SO42-為1.0~1.5g/L、H2S為2.0~3.0g/L、HCN為0.1g/L、CNS-為1.0~1.5g/L、Cl-為1.3~1.5g/L、總氨約5g/L。

在氨水管道中，氨水所含的上述化學(xué)介質(zhì)會發(fā)生電離，造成鋼管的腐蝕，主要表現(xiàn)為均勻腐蝕。在pH≥6時，鋼管的內(nèi)表面為FeS所覆蓋，形成保護膜，腐蝕速率較慢。但由于氨水中存在CN-，CN-能溶解FeS保護膜，產(chǎn)生絡(luò)合離子Fe(CN)64-，加速了下列腐蝕反應(yīng)的進行。

絡(luò)合離子Fe(CN)64-繼續(xù)與Fe2+反應(yīng)生成亞鐵氰化亞鐵Fe2[Fe(CN)6]，在水中為白色沉淀。

當(dāng)氨水中存在氧或停工時，亞鐵氰化亞鐵與氧接觸又氧化生成亞鐵氰化鐵Fe4[Fe(CN)6]3，呈普魯氏藍色。這也是氨水貯槽和煤氣管道等泄漏時外壁常見到普魯氏藍色的原因。

拆除下來的氨水管道上常有管壁變薄的情況，就是電化學(xué)腐蝕造成的。這也說明存在電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。

2.應(yīng)力腐蝕和氫損傷

應(yīng)力腐蝕是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的必要條件：①同時產(chǎn)生應(yīng)力和腐蝕；②具有特殊的腐蝕性介質(zhì)，尤其是存在Cl-、OH-、HS-或NH4+離子,微應(yīng)力就能導(dǎo)致裂紋(由制造和焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力)。氨水中的硫化氫等不僅能引起一般腐蝕，而且陰極反應(yīng)生成的氫還能向鋼材內(nèi)部滲透并擴散，造成氫鼓泡或氫鼓泡開裂，造成鋼的氫誘發(fā)裂縫、應(yīng)力導(dǎo)向氫誘發(fā)裂縫及硫化物應(yīng)力開裂。

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，合金鋼在pH＝4.2時，硫化物應(yīng)力的開裂最嚴(yán)重；pH＝5~6時，不易破裂；當(dāng)pH≥7時，不發(fā)生破裂。但有CN-存在時，可發(fā)生硫化物應(yīng)力開裂，隨著CN-濃度的增加氫滲透速率迅速上升，CN-濃度大于5×10-4mol/L時，還會促進腐蝕。因循環(huán)氨水管道中CN-的濃度遠大于5×10-4mol/L，存在硫化物應(yīng)力開裂隱患，出現(xiàn)裂縫后會引發(fā)縫隙腐蝕。

3.縫隙腐蝕

氨水管道的焊接缺陷或應(yīng)力腐蝕在管道內(nèi)壁形成的微小裂紋，都能導(dǎo)致縫內(nèi)溶液中的物質(zhì)遷移困難，造成管道內(nèi)流動的氨水和滯留在縫隙內(nèi)的氨水產(chǎn)生濃度差，從而引起電位差、陽極位置發(fā)生氧化，即導(dǎo)致縫隙內(nèi)金屬腐蝕。陰極位置的電子與氨水中的氫離子反應(yīng)生成氫原子，氫原子向金屬擴散，并集聚在金屬的高應(yīng)力區(qū)，即裂縫的尖端，導(dǎo)致裂縫尖端脆化并使裂縫擴展成裂紋。在縫隙的寬度為0.025~0.1mm范圍內(nèi)，縫隙寬度變小時腐蝕率隨之增高。當(dāng)有Cl-離子存在時，這種腐蝕更容易發(fā)生。

4.晶間腐蝕

管道在焊接過程中，在焊縫區(qū)域局部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，這是以應(yīng)力區(qū)為陽極、非應(yīng)力區(qū)為陰極發(fā)生的另一種電化學(xué)腐蝕，應(yīng)力腐蝕所產(chǎn)生的裂縫一般是沿晶界發(fā)展的晶間腐蝕或穿過晶粒造成的穿晶腐蝕，也可能兩者同時發(fā)生。這種電化學(xué)腐蝕與縫隙腐蝕不同，具有不均勻性，即以應(yīng)力狀態(tài)為導(dǎo)向而發(fā)生的。

5.管道焊接

雖然氨水管道內(nèi)的壓力只有0.3MPa，但因循環(huán)氨水管道泄漏較普遍，故對循環(huán)氨水管道的焊接要求較高，是按壓力容器要求執(zhí)行的。送至焦?fàn)t的循環(huán)氨水管道未嚴(yán)格執(zhí)行焊接要求，投用后短期內(nèi)即出現(xiàn)了大量的泄漏點。所以焊接質(zhì)量是氨水管道泄漏的一個重要原因。

二、氨水管道焊口開裂的原因

氨水管道泄漏點一般都在焊口處，究其原因主要有以下幾方面。

1.氨水的腐蝕

氨水做電解質(zhì)，金屬內(nèi)部組成原電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕。焊縫處焊縫的電位與焊接在一起的管道之間的電位存在差異，管道的電位較低、腐蝕更為明顯。另外，氨水中的金屬離子易在焊縫的表面發(fā)生沉積，加重了焊縫處的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。

2.焊接質(zhì)量

觀察焊縫開裂情況可以明顯看出，在架設(shè)管道的過程中存在焊接質(zhì)量問題。個別焊點存在夾渣、未焊透、焊縫高度低于設(shè)計值等現(xiàn)象，使母材與焊縫受到了破壞，導(dǎo)致焊縫強度低、脆性大、易疲勞等。

3.材質(zhì)剛度

焊接質(zhì)量與材質(zhì)剛度有很大的關(guān)系，如果連接焊縫處出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題或焊縫處腐蝕嚴(yán)重，很容易在管道的焊縫處，經(jīng)溫差的變化將焊縫處拉裂。

三、減少氨水管道泄漏的措施

1.管道裝配

(1)管道裝配過程中，要保證焊接管的規(guī)整。若不規(guī)整，應(yīng)先整形再裝配，不能施加外力強制裝配，以消除裝配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

(2)裝配過程中應(yīng)避免在管道上留下傷痕，如拉筋、夾具等留下的痕跡以及打弧燒痕，都可能成為應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的誘因。

(3)在管道安裝時要合理配置膨脹節(jié)和支架固定點的位置和形式。

2.焊接材料的選擇

更換部分氨水管道時，在采用相同焊接工藝的前提下，有幾處焊縫嘗試用A302的不銹鋼過渡焊條焊接，其他仍用常規(guī)焊條焊接。發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)焊條焊接的焊縫使用不久就出現(xiàn)氨水泄漏，而采用A302不銹鋼過渡焊條的焊縫使用2年沒有發(fā)生泄漏。2009年8月在更換5#焦?fàn)t爐頂?shù)陌彼艿罆r，也采用A302不銹鋼過渡焊條焊接，至今未發(fā)生泄漏。所以焊接材料應(yīng)選擇A302不銹鋼過渡焊條。

3.焊接工藝

為了防止應(yīng)力腐蝕裂紋，在焊接工藝方面主要是制定合理的工藝規(guī)程，如焊接線能量、焊接順序和焊接質(zhì)量的控制等。在判定焊接工藝時，應(yīng)根據(jù)鋼種不同，設(shè)法滿足兩方面要求，既要防止淬硬(焊接線能量過小)，也要防止晶粒嚴(yán)重長大(線能量過大)，如采用多層焊接。

4.焊后消除應(yīng)力處理

焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是形成應(yīng)力腐蝕裂紋的關(guān)鍵因素。老區(qū)凈化1#系統(tǒng)的螺旋焊管制作完成后，進行了整體和對接焊縫的熱處理，近7年來，焊管本身的焊縫和對接焊縫的泄漏點極少。由此證明了焊縫熱處理是減少泄漏的重要措施。

四、氨水管道漏點的處理方法

中灤煤化工有限公司循環(huán)氨水管道為直徑350mm管道，根據(jù)不同的漏點大小，處理方法不同。

1.裂縫10mm以內(nèi)且氨水泄漏量不大

在此情況下，一般選擇使用φ57mm或φ89mm管道，長度大約200mm，其一端安裝D50球閥，用于焊接時氨水的泄