工業(yè)堿管線失效分析及防范措施研究

童小鋒

（山東石大勝華化工集團(tuán)股份有限公司，山東東營，257061）

堿脆是金屬材料的應(yīng)力腐蝕的一種形式，具體為沿晶間產(chǎn)生裂紋。堿脆主要發(fā)生在鍋爐水因軟化處理帶來堿性并在鍋爐縫隙里濃縮造成的鍋爐破裂，也發(fā)生在接觸苛性堿的低合金鋼、碳鋼等設(shè)備之上。下面主要以我廠廠區(qū)溶劑油罐區(qū)到各生產(chǎn)裝置的堿液線和廢堿液線堿脆破裂事故為例，對碳素鋼堿脆的機(jī)理及預(yù)防措施加以分析和討論。

1 工業(yè)堿管線失效腐蝕機(jī)理及發(fā)生條件

1.1 工業(yè)堿管失效腐蝕機(jī)理

堿脆是金屬氫脆的一種特殊形式。氫的來源有兩種。一種指材料在冶煉及隨后的酸洗、焊接等機(jī)械制造過程中所吸收的氫；另一種是指材料在致氫環(huán)境的使用過程中所吸收的氫。碳鋼在液氨、硝酸鹽、液堿等介質(zhì)中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。堿脆主要是碳鋼在高溫下與水蒸氣產(chǎn)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

在這個反應(yīng)中，NaOH起著催化作用，其過程是：

3Fe+7NaOH→Na3FeO·3 2Na2FeO2+7H+

Na3FeO·3 2Na2FeO2+4H2O→Fe3O4+7NaOH+H+

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

反應(yīng)中生成的Fe3O4覆蓋在鋼的表面上，形成了一層保護(hù)膜。但也可能會由于過高的局部拉伸應(yīng)力使局部區(qū)域的保護(hù)膜遭到嚴(yán)重的破壞，另外也可能由于NaOH在表面的富集使得Fe3O4被溶解，使金屬得表面形成腐蝕裂紋NaOH富集在裂紋中，會形成電化學(xué)腐蝕。裂紋的尖端區(qū)域成為陽極。

1.2 工業(yè)堿管失效腐蝕發(fā)生條件

鋼的堿脆，一般要同時具備三個條件：（1）較高的溫度；（2）較高濃度的NaOH溶液；（3）拉伸應(yīng)力。拉伸應(yīng)力不但可以是外載荷所引起的應(yīng)力，也可以是那些殘余的應(yīng)力，或者是兩者的聯(lián)合作用。相對于拉伸應(yīng)力的大小，堿脆的另一個更重要的影響因素是應(yīng)力的是否均勻， 局部的拉伸應(yīng)力是最容易引起堿脆的。

2 工業(yè)堿管線堿脆破裂原因分析

2.1 材料因素

實驗證明，堿液介質(zhì)管道的金屬中碳含量在0.01%～0.25%范圍之內(nèi)易產(chǎn)生堿脆?，F(xiàn)場的注堿管線中多采用20g鋼，其中碳含量在0.12%～0.22%之間，其所采用的J427焊條的熔敷金屬的碳含量也在0.12%左右，都處在堿脆范圍之內(nèi)，這是管線發(fā)生堿脆的重要條件。該管線采用氬弧焊打底加焊條電弧焊蓋面的焊接方法，其中焊縫金屬的含碳量處于堿脆發(fā)生的危險區(qū)，熱影響區(qū)的母材碳含量處于堿脆的發(fā)生區(qū)間，所以支管母材熱影響區(qū)發(fā)生斷裂的材料原因就明確了。

2.2 環(huán)境因素

據(jù)分析可以得出，碳鋼發(fā)生堿脆的敏感性與NaOH管線溶液的濃度有著直接關(guān)系。該裝置中NaOH注堿管線的設(shè)計溫度是40℃，但是該系統(tǒng)的主管道為蒸汽管線，其操作溫度221℃，在主管與支管的管臺連接處溫度可以達(dá)到115℃，這為NaOH管線發(fā)生堿脆失效創(chuàng)造了環(huán)境條件。管線中NaOH 溶液的濃度僅是5%，但是設(shè)計影響因素的分析中忽略了系統(tǒng)主管道是蒸汽管線的條件，使得NaOH管線發(fā)生堿脆失效就在所難免了。

2.3 應(yīng)力因素

在實際應(yīng)用中，車間的堿線太長，外壁的溫度高，在拉應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下，管線容易產(chǎn)生疲勞，特別是焊縫，所以應(yīng)力的產(chǎn)生加劇了應(yīng)力腐蝕開裂的產(chǎn)生。通過分析可以看出，車間所使用的堿線，不論是從應(yīng)力作用、自身材質(zhì)，還是使用環(huán)境，都具有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的條件。在三者共同的作用下，加劇了堿線焊縫處的應(yīng)力腐蝕開裂的產(chǎn)生。在日常使用中，管線溫度的變化會引起堿線的伸縮變化，進(jìn)而焊縫處的Fe30保護(hù)膜受到破壞，然后鈍化并形成氧化膜，再破壞再形成，形成了陽極溶解型的應(yīng)力腐蝕開裂。在補(bǔ)焊漏點時，溫度可達(dá)到上千度，NaOH殘液被氣化，應(yīng)力腐蝕開裂在瞬間形成，因此漏點是不能直接焊住的。

3 工業(yè)堿管線失效預(yù)防措施

3.1 控制濃度

堿溶液的濃度是使管道產(chǎn)生堿脆的重要因素。所以，在生產(chǎn)工藝允許的情況下應(yīng)該盡量降低堿液的濃度。

3.2 消除應(yīng)力集中

管線安裝組對應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力是引起堿脆的重要原因，因此對于堿液管線，在焊接后要采取焊后熱處理工藝，一般熱處理的溫度要控制在630℃左右來消除焊接殘余應(yīng)力。在管道配管安裝的過程中，特別是支管連接管安裝的過程中，要嚴(yán)禁強(qiáng)行進(jìn)行組對。

3.3 選用耐應(yīng)力腐蝕的材料

根據(jù)堿脆發(fā)生的條件可以得出，在相同的環(huán)境條件下，碳鋼管線發(fā)生堿脆的幾率比不銹鋼管線要高很多。所以，在選擇堿脆易發(fā)的管線時，要盡量選擇不銹鋼材料來代替碳鋼材料。

3.4 提高焊縫質(zhì)量

焊接缺陷的危害除了會引起機(jī)械強(qiáng)度的泄漏和下降之外，還有以下兩個方面的問題。夾渣、氣孔、根部、咬邊未熔透等缺陷會產(chǎn)生應(yīng)力集中，并使縫隙腐蝕的可能性增大，加速應(yīng)力腐蝕破裂的進(jìn)程。焊接時要嚴(yán)格按焊接規(guī)程施焊，避免全位置的焊接，要盡量轉(zhuǎn)動管子讓焊工在最佳位置焊接。

3.5 對焊縫進(jìn)行熱處理

焊縫通過退火熱處理在堿液中的碳鋼母材，可以有效改善應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。

4 結(jié)語

堿脆造成的工業(yè)堿管線失效是經(jīng)常發(fā)生的設(shè)備事故，雖然我們對此有所認(rèn)識，但還很不夠。工業(yè)堿管線失效的影響因素眾多，因此采取的措施也不盡相同，今后要進(jìn)一步研究探索，使工業(yè)堿管線失效造成的危害能夠避免。