蒸發(fā)鹽沉降槽泄漏原因分析及預(yù)防措施

梁維典

（廣西華銀鋁業(yè)有限公司，廣西百色 533700）

0 引言

蒸發(fā)鹽沉降槽為鋼制大型槽罐，作為存貯強制效蒸發(fā)器再蒸發(fā)濃縮的高溫強堿用。投產(chǎn)約2年后陸續(xù)發(fā)生槽體多處焊縫開裂泄漏，逐步發(fā)展成槽體鋼板母材開裂泄漏。嚴重影響槽體結(jié)構(gòu)強度，存在很大安全隱患。槽體焊縫、母材裂紋特征與鋼材應(yīng)力腐蝕效應(yīng)吻合，初步判斷為槽體長期與高溫強堿溶液接觸發(fā)生的堿脆現(xiàn)象。

1 鹽沉降槽應(yīng)力腐蝕的原因

氧化鋁生產(chǎn)工藝使用大量槽罐、容器存貯堿性溶液，并非所有槽罐都發(fā)生堿脆現(xiàn)象。鋼材堿脆須具備3個條件。

（1）材料要素。應(yīng)力腐蝕破裂只在對應(yīng)力腐蝕敏感的合金材料上發(fā)生。含碳量在0.01%～0.25%的碳鋼容易產(chǎn)生堿脆,含碳量大于或小于此范圍堿脆均難以發(fā)生。

（2）應(yīng)力要素。材料中的應(yīng)力主要包括熱應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力。其中，焊接殘余應(yīng)力是指焊接時由于溫度分布不均、組織變化、熔池凝縮而形成的，在焊接結(jié)束和完全冷卻后仍然繼續(xù)存在的應(yīng)力特定的介質(zhì)環(huán)境。工作應(yīng)力是指堿液輸送過程中由于內(nèi)部壓力作用而在管壁產(chǎn)生的應(yīng)力。

（3）環(huán)境要素。碳鋼及低合金鋼焊制化工容器如焊后或冷加工后，不進行消除應(yīng)力熱處理，則在氫氧化鈉溶液中的使用溫度不得大于圖1和表1所列的溫度。

圖1 碳鋼在氫氧化鈉溶液中使用溫度

2 鹽沉降槽服役背景

（1）鹽沉降槽儲存的主要介質(zhì)為碳酸鈉+氫氧化鈉，氫氧化鈉含量約為319 g/L，濃度 24%，最高工作溫度105℃。

（2）鹽沉降槽材料。普通碳鋼板Q235A、筒體尺寸 Φ15 m×4 m，底部為錐形體，鋼板厚度10 mm。

（3）自 2007年 12月投入使用，運行2 a后開始出現(xiàn)液體從槽體焊縫處泄漏（圖 2），運行 3 a后開始出現(xiàn)液體從槽體母材處泄漏。

表1 碳鋼在氫氧化鈉溶液中使用溫度上限

3 鹽沉降槽發(fā)生堿脆的原因

圖2 槽體焊縫

（1）材料因素。鹽沉降槽的材料為碳鋼Q235，主要成分：C含量 0.14%～0.22%，Si含量 0.12%～0.30%，Mn含量 0.30%～0.65%，P含量≤0.045%，S含量≤0.05%。該成分的碳鋼處在堿脆的范圍之內(nèi)，有可能發(fā)生堿脆現(xiàn)象。

（2）環(huán)境因素。鹽沉降槽的氫氧化鈉濃度約為24%左右，服役溫度為（100～103）℃。由圖1和表1可知，碳鋼在24%氫氧化鈉濃度溶液中安全服役溫度為65℃，目前鹽沉降槽的服役溫度遠高于其安全溫度，因此有可能發(fā)生堿脆現(xiàn)象。

（3）應(yīng)力因素。鹽沉降槽承受的應(yīng)力主要為焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及沉降槽中槽液對于槽壁的壓應(yīng)力。在焊縫處及附近熱影響區(qū)，同時受到殘余應(yīng)力和槽中液體壓應(yīng)力作用，高于母材受到的應(yīng)力，因此更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕（堿脆）現(xiàn)象。

綜上所述，鹽沉降槽具備堿脆發(fā)生的材料、堿液濃度、溫度以及應(yīng)力等幾個要素條件，且裂紋部位、裂紋現(xiàn)狀與鋼材堿脆效應(yīng)高度吻合，可認定槽體發(fā)生大面積泄漏的原因為堿脆。

4 鹽沉降槽堿脆應(yīng)對措施

從引起堿脆的原因來看,防腐和消除殘余應(yīng)力是防治堿脆的主要途徑,常采用的主要措施為用非金屬或者耐腐蝕金屬作內(nèi)襯或涂層。目前耐堿腐蝕的內(nèi)襯較成熟的工藝主要有3種，即玻璃鋼、橡膠和不銹鋼。根據(jù)幾種材料在堿性工況下的溫度上限，如環(huán)氧樹脂100℃，天然橡膠80℃，合成橡膠80℃，SUS304不銹鋼120℃，可知環(huán)氧樹脂、天然橡膠、合成橡膠因耐熱度原因，不適用作為內(nèi)襯。采用不銹鋼制作鹽沉降槽的內(nèi)襯可滿足鹽沉降槽溫度要求（圖3）。另據(jù)了解，某新型材料（廠家型號1391T）因優(yōu)異的物理、化學特性（表2和表3，數(shù)據(jù)摘自美國材料與試驗協(xié)會ASTM），近年來在石化行業(yè)強腐蝕工況，作為耐腐蝕涂層應(yīng)用良好。考慮使用不銹鋼材料成本以及工期因素，最后方案定為新建槽體，內(nèi)壁焊縫做1391T耐腐蝕涂層。目前新槽體建成投用3 a，未發(fā)現(xiàn)堿脆泄漏現(xiàn)象。

在同等預(yù)期壽命情況下，制作SUS304不銹鋼內(nèi)襯花費40萬元人民幣，工期30 d，選用1391T材料涂層費用10萬元人民幣，工期3 d。

圖3 SUS304不銹鋼在不同溫度下的耐NaOH趨勢

表2 1391T材料耐堿化學性能表

表3 1391T材料100℃物理性能表

5 結(jié)語

氧化鋁生產(chǎn)工藝要求大量高溫、高濃度苛性堿溶液輸送和貯存，每年因堿脆發(fā)生的管道、槽罐泄漏、損壞數(shù)量驚人，因此增加的維修費用亦不菲。堿脆已成為氧化鋁生產(chǎn)最常見設(shè)備故障之一，鹽沉降槽堿脆預(yù)防措施是近期預(yù)防、處理堿脆現(xiàn)象的新工藝，長期效果尚有待驗證。