液化石油氣儲(chǔ)罐應(yīng)力腐蝕分析與防護(hù)

摘要：液化石油氣儲(chǔ)罐在有硫化氫的潮濕條件下，容易發(fā)生腐蝕，使儲(chǔ)罐的脆性增加，在應(yīng)力條件下使得硫化物腐蝕開(kāi)裂。應(yīng)力腐蝕斷裂有突發(fā)性，危害較大，磁粉檢測(cè)在預(yù)防應(yīng)力腐蝕起到重要的作用。本文簡(jiǎn)要介紹液化石油氣儲(chǔ)罐磁粉檢測(cè)、應(yīng)力腐蝕的基本原理及儲(chǔ)罐的受力分析，進(jìn)而歸納儲(chǔ)罐預(yù)防應(yīng)力腐蝕的相關(guān)措施。

關(guān)鍵詞：液化石油氣儲(chǔ)罐；應(yīng)力腐蝕；磁粉檢測(cè)；

隨著石油化工的發(fā)展，液化石油氣作為基本原料和燃料，在工農(nóng)商等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。液化石油氣的組成是丙烷和丁烷，也會(huì)伴有少量的丙烯和丁烯，由于操作條件和生產(chǎn)工藝的不同，成分略有差異。

本文主要從應(yīng)力腐蝕條件對(duì)儲(chǔ)罐開(kāi)裂影響的分析，討論了液化石油氣儲(chǔ)罐的應(yīng)力腐蝕原因、磁粉檢測(cè)原理及如何預(yù)防硫化氫腐蝕以及對(duì)儲(chǔ)罐的設(shè)備管理。

1 液化石油氣儲(chǔ)罐應(yīng)力腐蝕分析

1.1 應(yīng)力腐蝕簡(jiǎn)述

液化石油氣儲(chǔ)罐的液相硫化氫含大于10mg/kg 時(shí)，在濕硫化氫環(huán)境下，儲(chǔ)罐容易發(fā)生腐蝕，硫化氫與鋼材反應(yīng)形成具有高滲透性的氫離子，滲透到鋼材中后，可形成氫鼓包、氫致開(kāi)裂等缺陷，并增加鋼材的脆性，在應(yīng)力下會(huì)造成硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[1][2]。

1.2 應(yīng)力腐蝕特征

液化石油氣儲(chǔ)罐發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是在力學(xué)因素、環(huán)境因素和冶金因素共同作用下的結(jié)果。在濕硫化氫環(huán)境下，應(yīng)力腐蝕易發(fā)于冶金應(yīng)力集中部位缺陷處，而且應(yīng)力腐蝕具有在拉應(yīng)力作用下，擴(kuò)展到穿透的特點(diǎn)。

2 電化學(xué)腐蝕分析

硫化氫在水溶液中電離：

H2S → H++ HS- → 2H+ + S2-

電化學(xué)腐蝕反應(yīng)：

陽(yáng)極： Fe + HS- → FeS↓ + H+ + 2e-

陰極： 2H+ + 2e- → 2[H] → H2↑

會(huì)看出H2S先電離出氫離子，氫離子體積小，儲(chǔ)罐存儲(chǔ)液化石油氣，常溫下就會(huì)向儲(chǔ)罐內(nèi)表層滲透并擴(kuò)散，然后與Fe發(fā)生反應(yīng)，逐漸滲透到儲(chǔ)罐內(nèi)表層，形成催化層。熔合區(qū)的塑性和致密性都相對(duì)較差，這些位置將逐漸形成催化層，在應(yīng)力或載荷的作用下會(huì)形成應(yīng)變開(kāi)裂[4][9]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，利用磁粉探傷手段發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕形成裂紋與以上理論相符。

3 應(yīng)力腐蝕檢測(cè)

3.1 磁粉檢測(cè)的原理

鐵材料工件被磁化后，由于不連續(xù)性存在，使工件表層和近表層的磁力線發(fā)生局部畸變形成漏磁場(chǎng)，吸附施加在工件表層磁場(chǎng)，在一定的光照下形成看見(jiàn)的磁痕，從而展現(xiàn)出不連續(xù)性的大小、位置、形狀和嚴(yán)重程度。

3.2 檢測(cè)方法的選擇

檢測(cè)鐵磁性材料表層微小裂紋，熒光磁粉檢測(cè)是一種有效方法。其具有很高的檢測(cè)準(zhǔn)確性、靈敏度、可靠性和結(jié)果直觀性，是常用且經(jīng)濟(jì)的無(wú)損檢測(cè)方法。

通過(guò)熒光磁粉檢測(cè)液化石油氣儲(chǔ)罐在濕硫化氫環(huán)境下形成的應(yīng)力腐蝕，然后以金相檢驗(yàn)方法校準(zhǔn)，磁粉主要檢測(cè)儲(chǔ)罐的內(nèi)表層，包括搭接接頭、焊接接頭、變形部位、幾何不連續(xù)等應(yīng)力集中部位。如發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐內(nèi)表層某個(gè)部位發(fā)生了應(yīng)力腐蝕，則相應(yīng)的外表層也要進(jìn)行檢測(cè)[2]。

4 儲(chǔ)罐應(yīng)力分析

對(duì)于受內(nèi)壓的薄壁容器只需考慮軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，容器壁上任意一點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，假設(shè)應(yīng)力沿截面均勻分布，采用“材料力學(xué)”中的截面法，截取液化石油氣儲(chǔ)罐。

對(duì)于薄壁殼體，近似將內(nèi)直徑視作殼體中面直徑，即2r。根據(jù)平衡因素，其軸向外力πr2P 與軸向內(nèi)力2πrhσφ相等。即：

πr2P = 2πrhσφ 得：σφ= rP / 2h

取薄壁容器的封頭半圓形部分，如圖2所示。

根據(jù)平衡因素，半圓環(huán)上其 y 方向外力為2∫π/20 prcosθdθ，與作用在x 截面上y 方向內(nèi)力2hσθ 相等，即：

2∫π/20 prcosθdθ= 2hσθ 得：σφ= rP / 2h

根據(jù)如上計(jì)算看出，環(huán)向應(yīng)力σθ 是軸向應(yīng)力σφ的2 倍[5]。這樣就會(huì)了解儲(chǔ)罐的受力情況，應(yīng)力集中的部分的檢測(cè)需更加仔細(xì)，維護(hù)要需更加認(rèn)真。

5 預(yù)防應(yīng)力腐蝕的措施

選材不當(dāng)或制造、安裝不規(guī)范，使不少液化石油氣儲(chǔ)罐焊縫處及附近形成裂紋，會(huì)導(dǎo)致液化氣泄漏，并有火災(zāi)、爆炸等隱患。根據(jù)儲(chǔ)罐應(yīng)力腐蝕因素和腐蝕機(jī)理分析，提出液化石油氣儲(chǔ)罐應(yīng)力腐蝕完整性管理的預(yù)防措施有：

（1）合理選材：硫化氫應(yīng)力腐蝕破裂與材料的剛度、強(qiáng)度、成分和金相組織有密切關(guān)系。應(yīng)力腐蝕的破裂敏感性與材料強(qiáng)度成正比，隨著材料強(qiáng)度的提高，材料的屈服極限與破裂臨界應(yīng)力比值越大。實(shí)驗(yàn)證明，材料HB ≤ 235，采用Mn 含量在1.65% 以下普通碳素鋼及低合金鋼制壓力容器。在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，有害元素Ni、Mn、S、P 等一定要限量，而某些防止硫化氫應(yīng)力腐蝕的有利元素，如Cr、Mo、V 等，應(yīng)適量加入材料[7]。

（2）嚴(yán)格控制硫化氫的含量，硫化氫的量應(yīng)小于10-6[6]，還應(yīng)在儲(chǔ)罐的表層做防腐層處理，來(lái)防止氫離子滲入材料造成硫化氫應(yīng)力腐蝕。在焊接消除應(yīng)力的熱處理后，不容易發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕。

（3）加強(qiáng)維護(hù)和檢查

儲(chǔ)罐的排殘裝置、工藝管道、排污系統(tǒng)需定期保養(yǎng)，清除殘液和硫化氫水溶液，排除發(fā)生析氫的因素。

按規(guī)定做好在線檢查和年度檢查，重點(diǎn)是有硫化氫應(yīng)力腐蝕傾向設(shè)備的檢查，及時(shí)掌握腐蝕情況，一旦發(fā)現(xiàn)氫鼓包、裂紋要及時(shí)處理，保證安全運(yùn)行。

（4）發(fā)展在線檢測(cè)技術(shù)

儲(chǔ)罐進(jìn)行在線檢測(cè)是為了發(fā)現(xiàn)損傷，并確定腐蝕狀況，對(duì)存在的活性缺陷和泄漏源進(jìn)行檢測(cè)定位，并結(jié)合超聲波測(cè)厚手段，最終對(duì)儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)完整性做出合理評(píng)估，為制定檢維修方案提供依據(jù)，從而減少檢測(cè)的盲目性，節(jié)約資金，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[8] [10]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李泳泉，富陽(yáng)，李智梁，等.液化石油氣儲(chǔ)罐硫化物應(yīng)力腐蝕檢測(cè)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，2（29）：141-142.

[2] 王勇，李崇剛.液化石油氣儲(chǔ)罐氫鼓包分析[J].石油化工設(shè)備，2009，4（38）：95-96.

[3]李文艷，潘俊智，郭淑嫻.液化石油氣儲(chǔ)罐裂紋成因分析[J].特種設(shè)備，2008，4 ：27

作者簡(jiǎn)介：

高威，男，漢族，碩士研究生，研究方向：化學(xué)（有機(jī)化學(xué)）