一起碳化塔產(chǎn)生氫鼓包的原因分析

李敏

摘 要：碳化塔檢驗(yàn)出鼓包，通過檢驗(yàn)分析確定為低合金鋼在臨氫介質(zhì)下出現(xiàn)氫損傷，產(chǎn)生鼓包和氫致裂紋。

關(guān)鍵詞：氫鼓包

1 概述

在對(duì)我市某化肥廠碳化塔進(jìn)行檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在塔體上檢出了嚴(yán)重的鼓包和裂紋缺陷，經(jīng)論證確定為氫鼓包和氫致裂紋。

這臺(tái)碳化塔是2000年3月生產(chǎn)，質(zhì)量證明書、產(chǎn)品合格證、監(jiān)檢證書等資料齊全，材質(zhì)也符合要求。該碳化塔最高使用壓力為1.3MPa，設(shè)計(jì)溫度為40℃，筒體壁厚為18mm，筒體材料為16MnR，均符合要求，介質(zhì)為變換氣、濃氨水、碳酸氫銨及其結(jié)晶物。

2 檢驗(yàn)情況

2.1 本次檢驗(yàn)為全面檢驗(yàn)

經(jīng)對(duì)資料審查和日常運(yùn)行情況了解后，我們制定了檢驗(yàn)方案，首先對(duì)該臺(tái)碳化塔內(nèi)部進(jìn)行了表面宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)在該塔底部第二筒節(jié)處環(huán)氧樹脂防腐層大面積脫落，面積最大處有3000x300mm左右，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)在塔內(nèi)防腐條件差的地方出現(xiàn)許多鼓包，在這兩筒節(jié)上肉眼明顯可見的鼓包合計(jì)有23處之多，鼓包直徑大的有150mm左右，小的有50mm左右，鼓包高度從5mm到15mm左右，這些鼓包有的已經(jīng)有明顯裂紋，裂紋有分支，呈放射狀，其深度貫穿鼓包厚度，鼓包裂紋形態(tài)見圖一。

2.2 無損檢測

根據(jù)上述情況，對(duì)塔體內(nèi)壁鼓包處進(jìn)行超聲波測厚，重點(diǎn)為鼓包及其周圍，測厚結(jié)果顯示筒體鋼板存在夾層，增加筒體夾層處超聲波探傷，以確定夾層范圍及傾角，具體檢測結(jié)果選擇有代表性的幾處，見上表。

壁厚測定顯示夾層基本是與鋼板表面平行的。

超聲檢測未發(fā)現(xiàn)其他部位存在超標(biāo)缺陷。

2.3 金相檢查

在筒體材料鼓包處做50倍現(xiàn)場金相檢查，組織為鐵素體+珠光體，未見組織有明顯變化。

3 鼓包的原因分析

從碳化塔正常操作情況來看，壓力、溫度不高，可以排除高溫蠕變變形及其他外界條件引起的鼓包變形，碳化塔內(nèi)介質(zhì)為變換氣、濃氨水、碳酸氫銨及其結(jié)晶，屬于臨氫介質(zhì)。碳化塔筒體材料為16MnR為低合金鋼，金相組織為鐵素體+珠光體，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為體心立方晶格，氫在其中的擴(kuò)散系數(shù)為4.0×10^-7cm/s，較其他幾種鋼都高，發(fā)生氫損傷的適宜溫度為-100℃～100℃。

碳化塔內(nèi)介質(zhì)成溶液狀態(tài)存在，在介質(zhì)內(nèi)會(huì)電離出氫離子，H+主要可以通過下列化學(xué)反應(yīng)而存在：

①（NH₄）₂CO₂+H₂O→NH₄⁺+HCO₃^-+NH₃H₂O

②HCO₃^-→H⁺+CO₃^2-

③NH₃→N^₃-+3H⁺（氣體熱分解）

H+和鋼板表面的電子結(jié)合形成氫原子，筒體材料的體心立方晶格結(jié)構(gòu)很容易溶解氫，溶解的氫在金屬中大部分以氫原子形式存在，由于氫的原子半徑非常小，這一部分氫可以在金屬晶格中自由擴(kuò)散形成擴(kuò)散氫，鋼中的擴(kuò)散氫非常容易在晶粒中的位錯(cuò)、顯微缺陷、非金屬夾雜物邊緣等應(yīng)力集中處受應(yīng)力誘導(dǎo)、相變誘導(dǎo)等因素作用而發(fā)生聚集。聚集的氫結(jié)合成分子氫使直徑增大而失去擴(kuò)散能力成為殘余氫。

圖二 ?氫鼓包形成過程示意圖

如果鋼板存在夾層等宏觀缺陷，殘余氫會(huì)隨著擴(kuò)散的不斷進(jìn)行而越聚越多，結(jié)合成的分子氫形成的壓力就會(huì)不斷增高，最后壓力可達(dá)上萬兆帕，從而造成夾層處鼓包稱為氫鼓包。鼓包的直徑可達(dá)幾十到一百多毫米，鼓包處的金屬因氫損傷使塑性降低產(chǎn)生裂紋成為氫致裂紋。氫鼓包的形成過程可用圖二表示。

4 結(jié)論

碳化塔筒體材料的選擇應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是要控制好非金屬夾雜物的含量，不能有夾層等宏觀缺陷存在。

由于碳化塔內(nèi)介質(zhì)屬于臨氫介質(zhì)，鋼板中的擴(kuò)散氫會(huì)在鋼板缺陷處聚集形成分子氫，從而產(chǎn)生高壓使鋼板出現(xiàn)鼓包。鋼板中的非金屬夾雜物在軋制過程中會(huì)形成平行于鋼板表面的夾層，是產(chǎn)生鼓包的誘因之一。

由于鼓包的數(shù)量和面積較大，無法保證碳化塔安全運(yùn)行，建議做更換筒節(jié)修理。