楔形干燥器焊縫開(kāi)裂原因分析及防范措施

李素輝 何清松 關(guān)成志

（1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710065；2.中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司，河南 洛陽(yáng)471012）

楔形干燥器焊縫開(kāi)裂原因分析及防范措施

李素輝1,2何清松2關(guān)成志2

（1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710065；2.中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司，河南 洛陽(yáng)471012）

楔形粉料干燥器M 301為聚合裝置重要干燥設(shè)備，在2012年的檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)楔形粉料干燥器M 301螺桿與葉片焊接處有大量裂紋，在2013年6月的檢修中又進(jìn)行了補(bǔ)焊，開(kāi)裂情況嚴(yán)重。文中分析了楔形粉料干燥器M 301出現(xiàn)裂紋的原因，并提出解決方法。

聚丙烯；楔形干燥器；氯離子腐蝕；不銹鋼防腐

1 楔形聚丙烯粉料干燥器異常時(shí)的基本概況

聚丙烯裝置產(chǎn)出粉料經(jīng)由楔形槳葉干燥器M301干燥后排除濕氣體，排出的濕氣體經(jīng)楔形槳葉干燥器壓力控制閥PV310后進(jìn)入到C901廢氣系統(tǒng)排火炬，在2013年初楔形干燥器的壓力控制閥PV310長(zhǎng)期處于高開(kāi)度狀態(tài)。在C901系統(tǒng)中的入口過(guò)濾器Z903每次排出70～80L積液且排液的次數(shù)增加，并且直接放空閥PV903長(zhǎng)期處于全開(kāi)狀態(tài)，將PV903閥拆開(kāi)發(fā)現(xiàn)管線中存積約15L液體并且還有惡化的趨勢(shì)。

楔形粉料干燥器示意圖如下：

圖1 楔形干燥器側(cè)面示意圖

圖2

圖3 楔形粉料干燥器M301濕氣體去路流程圖

楔形聚丙烯粉料干燥器M301排出液相多的原因經(jīng)分析主要是由于楔形聚丙烯粉料干燥器M301內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)焊縫裂紋多，造成加熱介質(zhì)蒸汽進(jìn)入聚丙烯粉料干燥器中，從而與濕物料混合，使排出氣體激增，蒸汽在后路冷凝所致。

2 聚丙烯粉料干燥器焊縫開(kāi)裂的原因分析

聚丙烯粉料干燥器M301螺桿與槳葉不是一個(gè)整體而是采用焊接方法連接，螺桿材料為16Mn碳鋼屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，槳葉為304不銹鋼0Cr18Ni9，屬于奧氏體不銹鋼中的一種。

2.1 晶間腐蝕

在焊接中，奧氏體不銹鋼焊接時(shí)不發(fā)生相變，無(wú)淬硬和冷裂傾向，但焊接接頭存在晶間腐蝕、熱裂紋和焊接變形大等問(wèn)題。所謂焊接變形大，就是鋼構(gòu)件在未受荷載前，由于施焊電弧高溫引起的變形為焊接變形。包括縮短、角度改變、彎曲變形等。如下圖。

圖4 焊接殘余應(yīng)力的形成及布特征

由現(xiàn)場(chǎng)觀察腐蝕磨損的裂紋主要出現(xiàn)在金屬與合金的晶界區(qū)內(nèi)，故主要為晶間腐蝕。晶間腐蝕破壞晶粒間的結(jié)合，大大降低金屬的機(jī)械強(qiáng)度，而且腐蝕發(fā)生后金屬和合金的表面仍保持一定的金屬光澤，看不出被破壞的跡象，但晶粒間結(jié)合力顯著減弱，力學(xué)性能惡化，不能經(jīng)受敲擊，所以是一種很危險(xiǎn)的腐蝕。

產(chǎn)生晶間腐蝕的不銹鋼，當(dāng)受到應(yīng)力作用時(shí)，即會(huì)沿晶界斷裂，強(qiáng)度幾乎完全消失，這是不銹鋼最危險(xiǎn)的一種破壞形式。晶間腐蝕可以分別產(chǎn)生在焊接接頭的熱影響區(qū)、焊縫或熔合線上，在熔合線上產(chǎn)生的晶間腐蝕又稱刀線腐蝕。不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于10%～12%。當(dāng)溫度升高時(shí)，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度。因?yàn)槭覝貢r(shí)碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，而一般奧氏體不銹鋼中的含碳量均超過(guò)此值，故多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，如（CrFe）23C6等。數(shù)據(jù)表明，鉻沿晶界擴(kuò)散的活化能力162～252 KJ／mol，而鉻由晶粒內(nèi)擴(kuò)散活化能約540 KJ／mol，即鉻由晶粒內(nèi)擴(kuò)散速度比鉻沿晶界擴(kuò)散速度小，內(nèi)部的鉻來(lái)不及向晶界擴(kuò)散，所以在晶間形成的碳化鉻所需的鉻主要不是來(lái)自?shī)W氏體晶粒內(nèi)部，而是來(lái)自晶界附近，結(jié)果就使晶界附近的含鉻量大為減少，當(dāng)晶界的鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低到小于12%時(shí)，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”，在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)就會(huì)失去耐腐蝕能力，而產(chǎn)生晶間腐蝕。

2.2 腐蝕疲勞

在楔形聚丙烯粉料干燥器M301發(fā)生晶間腐蝕后由于楔形聚丙烯粉料干燥器M301是連續(xù)輸送介質(zhì)，內(nèi)存交變應(yīng)力，然后造成腐蝕疲勞這一情況，所謂腐蝕疲勞是因交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用而引起的疲勞斷裂，屬于應(yīng)力腐蝕中的一種，在力學(xué)的疲勞理論中，當(dāng)合金承受交變應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到疲勞極限時(shí)，材料不會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂。疲勞極限為在某一周期數(shù)下不斷裂的最大交變應(yīng)力?？墒?，在腐蝕環(huán)境中，材料的疲勞極限急劇下降，因?yàn)樵谳^低的交變應(yīng)力下也可能發(fā)生因腐蝕而產(chǎn)生的疲勞，這種情況在震動(dòng)的過(guò)程中容易產(chǎn)生，這樣造成微小腐蝕逐漸惡化，最終成為裂紋。

2.3 氫腐蝕

在楔形聚丙烯粉料干燥器M301發(fā)生裂紋后，軸心蒸汽通過(guò)裂紋進(jìn)入和介質(zhì)混合，不銹鋼的耐腐蝕性主要由于表面有一層鈍化膜，當(dāng)裂紋產(chǎn)生后進(jìn)入蒸汽鈍化膜被破壞，裂紋部位的高濃度金屬離子在縫內(nèi)水解，產(chǎn)生高濃度氫離子，使PH值繼續(xù)下降，然后發(fā)生氫腐蝕。

304不銹鋼在低溫和低鹽酸情況下腐蝕最弱，而在50℃左右、鹽酸濃度在0.3%左右即發(fā)生腐蝕，對(duì)于裝置M301粉料干燥器，一般情況控制的溫度在70℃～85℃之間，也就是在氫離子很少的情況下便發(fā)生腐蝕，當(dāng)蒸汽進(jìn)入到M301粉料干燥器中和介質(zhì)混合時(shí)，使固化的氯化鎂形成溶液狀態(tài)，溶液中的氯離子使不銹鋼表面的鈍化膜受到破壞，在拉伸應(yīng)力的作用下，鈍化膜被破壞的區(qū)域就產(chǎn)生裂紋，從而增大了腐蝕面積，使M301粉料干燥器內(nèi)部腐蝕情況更加嚴(yán)重。

3 防范措施

需要控制腐蝕，首先需要控制晶間腐蝕，基于奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕通常是晶界產(chǎn)生貧鉻而引起的，因此控制晶間腐蝕可以從控制碳化鉻在晶界的沉積來(lái)考慮。

3.1 固溶淬火處理

加熱到1 100℃左右，隨即水淬，由于1 100℃時(shí)沉積的復(fù)雜碳化物（CrFe）23C6被重新溶解，因此淬火可以防止其再次沉積，從而得到較均勻的合金。在焊接過(guò)程中，操作要快，焊后應(yīng)快冷，盡量減少焊縫兩側(cè)母材在敏化區(qū)溫度范圍停留的時(shí)間，有經(jīng)驗(yàn)的電焊工，焊接后常將焊件用水及時(shí)冷卻，并用稀硝酸對(duì)焊件進(jìn)行鈍化處理。

3.2 進(jìn)行退火處理

消除殘余內(nèi)應(yīng)力，從而防止在后續(xù)加工或熱處理中發(fā)生變形和開(kāi)裂。

3.3 進(jìn)行表面氮化

所謂避免氮化是指在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的一種化學(xué)熱處理工藝。經(jīng)氮化處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫性。

3.4 表面噴丸

所謂表面噴丸就是用噴丸進(jìn)行表面處理，打擊力大，清理效果明顯。但噴丸對(duì)薄板工件處理時(shí)，容易使工件變形，且鋼丸打擊到工件表面（無(wú)論拋丸或噴丸）使金屬基材產(chǎn)生變形，由于F2O4和F2O3沒(méi)有塑性，破碎后剝離，而油膜與基材一同變形，所以對(duì)帶有油污的工件，拋丸、噴丸無(wú)法徹底清除油污。在現(xiàn)有的工件表面處理方法中，清理效果最佳的還數(shù)噴砂清理。噴砂適用于工件表面要求較高的清理。也可采取表面處理技術(shù)如鍍鋅、鉻、鎳等方法。

另外生產(chǎn)上還可采取的辦法有三種：第一在實(shí)際生產(chǎn)中定期改變擋板高度，從而達(dá)到更改交變應(yīng)力的目的，避免腐蝕疲勞的情況出現(xiàn)。第二增加氮?dú)馔ㄈ肓?，使漏入蒸汽迅速排出，從而避免蒸汽進(jìn)入后使不銹鋼長(zhǎng)期處于氯離子環(huán)境中。第三降低擋板高度，從而使槳葉輸送的濕物料總質(zhì)量減少，減少槳葉承受的負(fù)荷。

4 結(jié)論

在聚合裝置中粉料干燥器M301，在正常運(yùn)行中一直接觸未反應(yīng)的催化劑其中如氯化鎂、三氯化鈦等，當(dāng)蒸汽進(jìn)入到介質(zhì)空間和輸送介質(zhì)混合后形成溶液，造成氯離子腐蝕。聚丙烯粉料干燥器一般控制溫度在70℃～85℃左右，在這個(gè)區(qū)間段，如果單純接觸固體氯化鎂、三氯化鈦等介質(zhì)，腐蝕速率并不快，但是一旦一處發(fā)生泄漏進(jìn)入蒸汽，出現(xiàn)介質(zhì)和蒸汽接觸的情況，發(fā)生氯離子腐蝕，那么聚丙烯楔形干燥器M301的腐蝕面積會(huì)增大到干燥器內(nèi)部與介質(zhì)接觸的所有面積，從而造成整個(gè)干燥器的內(nèi)部腐蝕。

[1]黃建中，左禹材料的耐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社：2002：152.

[2]于永泗，齊民.機(jī)械工程材料[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2008：131-135.

[3]馮興奎.過(guò)程設(shè)備焊接[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：76-78.

TQ050

A

1671-0037（2014）02-76-2

2014年2月8日。

李素輝（1980.9-），男，在讀碩士研究生，工程師，研究方向：材料科學(xué)與工程。