某鈣業(yè)公司壓力容器腐蝕減薄案例分析

何慶昌

（遼寧省本溪市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧本溪 117000）

0 引言

在對(duì)某鈣業(yè)公司工藝生產(chǎn)線的儲(chǔ)罐進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一批立式壓力容器在投用后3年內(nèi)，其下部封頭內(nèi)外壁存在大量腐蝕狀凹坑，有的腐蝕深度較深，超過(guò)了腐蝕裕量[1]。因該企業(yè)生產(chǎn)工期緊，長(zhǎng)期停機(jī)會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)為了查明腐蝕形成原因，避免造成重大安全事故，對(duì)腐蝕的形成原因進(jìn)行了細(xì)致分析，以徹底消除隱患，保障設(shè)備安全運(yùn)行。

1 設(shè)備基本情況

發(fā)現(xiàn)缺陷的容器名稱(chēng)為“儲(chǔ)氣罐”，設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa，材料為Q345R，筒體和封頭的壁厚均為6 mm，腐蝕裕量1 mm，使用壓力為0.7 MPa，使用溫度為常溫，罐內(nèi)介質(zhì)為氧化鈣粉和空氣。制造日期為2016年3月，投用日期為2016年7月，使用單位辦理了特種設(shè)備使用登記證。投用后，使用單位按照法規(guī)要求于2019年6月申了定期檢驗(yàn)。根據(jù)定期檢驗(yàn)方案，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行宏觀檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)外壁存在腐蝕（圖1）。

2 腐蝕的檢測(cè)

因生產(chǎn)原因，該批壓力容器有一半高度處于工業(yè)生產(chǎn)廢料中，另一半裸露在空氣中，發(fā)生腐蝕的部位是處于工業(yè)廢料中的部分。漏磁檢測(cè)儀被認(rèn)為是檢測(cè)金屬腐蝕的重要手段，有研究表明，對(duì)于底板涂層厚度6 mm 的底板，可以發(fā)現(xiàn)10%板厚的腐蝕坑。本次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的壓力容器和底板的工作環(huán)境相似，其上表面接觸含水的存儲(chǔ)介質(zhì)，下表面與罐基礎(chǔ)接觸，其底部是發(fā)生腐蝕的最大可能區(qū)域。為了徹底了解腐蝕情況，采用漏磁檢測(cè)儀對(duì)4 臺(tái)壓力容器的底部進(jìn)行了全面掃查。

圖1 壓力容器腐蝕

采用英國(guó)生產(chǎn)的的SILVER WING（UK）Ltd 型漏磁檢測(cè)設(shè)備對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測(cè)，該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于安裝了先進(jìn)的傳感器，對(duì)底板上下表面的腐蝕都很敏感，對(duì)腐蝕的位置定位很準(zhǔn)確，特別是對(duì)于上表面的腐蝕。與其他設(shè)備相比，它還設(shè)置了自動(dòng)計(jì)算腐蝕速率和對(duì)設(shè)備使用壽命的自動(dòng)評(píng)估功能。檢測(cè)信號(hào)發(fā)現(xiàn)，這批儲(chǔ)罐的下封頭上下表面均有腐蝕，個(gè)別部位腐蝕量已超過(guò)了腐蝕裕量，腐蝕深度達(dá)2 mm。有的位置，外表面油漆完好無(wú)損，但是實(shí)際腐蝕深度也超過(guò)了腐蝕裕量。為驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果，對(duì)其中腐蝕最嚴(yán)重的1 臺(tái)容器的封頭進(jìn)行切割，發(fā)現(xiàn)剩余厚度與檢測(cè)結(jié)果相差無(wú)幾。

3 運(yùn)行狀況信息

查閱設(shè)備的運(yùn)行記錄，該儲(chǔ)罐的內(nèi)部介質(zhì)為氧化鈣粉和壓縮空氣，使用溫度為常溫。查閱壓縮空氣的附屬設(shè)備過(guò)濾器的維修記錄，發(fā)現(xiàn)其在運(yùn)行過(guò)程中在2017年和2018年有2 次維修記錄，維修原因是濾油和濾水功能不足。儲(chǔ)罐底部有濕潤(rùn)狀氧化鈣粉堆積，去除堆積物，發(fā)現(xiàn)垢下均有不同程度的腐蝕；在儲(chǔ)罐的底部有企業(yè)的廢棄物堆積，其廢棄物里面含有石灰。

4 腐蝕成因分析

根據(jù)GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》對(duì)腐蝕的描述，與腐蝕減薄相關(guān)的有31 種，結(jié)合所檢驗(yàn)壓力容器盛裝的介質(zhì)和所處的環(huán)境，分析所發(fā)現(xiàn)的腐蝕減薄最可能為堿腐蝕[2]。因容器內(nèi)的介質(zhì)為空氣和氧化鈣，綜合起來(lái)屬于堿性物質(zhì)，因此，首先考慮堿腐蝕。根據(jù)腐蝕機(jī)理，金屬在堿液中的腐蝕是發(fā)生在陰極過(guò)程的氧去極化反應(yīng)。氧化鈣和空氣混合，由于空氣壓縮機(jī)的油氣分離器經(jīng)常出故障，因此有水混入壓縮空氣中，與氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成了氫氧化鈣溶液。Q345R 在氫氧化鈣溶液中，雖然受氫氧根離子的鈍化在表面會(huì)形成鈍化膜，但是一旦鈍化膜受損后發(fā)生破口，破口后不斷濃縮的OH-將會(huì)對(duì)壓力容器制造材料Q345R 鋼板產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。特別是當(dāng)有氫原子存在時(shí)，深入鋼材的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生硬氣催化，可能產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展，反應(yīng)過(guò)程如下：

當(dāng)環(huán)境溫度不高，如正常使用的溫度為常溫時(shí)，碳鋼在堿液中十分穩(wěn)定，不易產(chǎn)生腐蝕；而如果環(huán)境中pH 值較低，氫離子會(huì)發(fā)生陰極放電效應(yīng)（反應(yīng)式：2H++2e-→H2↑），此時(shí)H2的析出效率大大增加，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物有可溶性的，因此會(huì)加劇腐蝕[3]；當(dāng)pH 值為4～9 時(shí)，此時(shí)的腐蝕過(guò)程是在氧的擴(kuò)散所控制的陰極過(guò)氧極化腐蝕階段（反應(yīng)式：O2+2H2O+4e-→4OH-），由于氧的溶解度和擴(kuò)散速度均與pH 值不成線性關(guān)系，此時(shí)鐵的腐蝕速率與pH 值無(wú)關(guān)；當(dāng)pH 值為9～14 時(shí)，鐵的腐蝕速度反而有降低的現(xiàn)象，這是因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物（α-FeOOH）在堿液中的溶解度很小，并且它能緊密地覆蓋在金屬表面，增大了陽(yáng)極電阻，阻礙了陽(yáng)極的溶解，同時(shí)影響了氧的去極化作用；當(dāng)環(huán)境的pH 值＞14 時(shí)，鐵將會(huì)重新進(jìn)入腐蝕的過(guò)程，這是由于前期形成的不可溶性氫氧化亞鐵膜會(huì)轉(zhuǎn)化成為可溶性的鐵酸納（Na2FeO2）的原因。若NaOH 的濃度＞30%時(shí)，鐵表面的氧化膜的保護(hù)性能隨著堿濃度的升高而降低，當(dāng)溫度升高并超過(guò)80 ℃，普通碳鋼就會(huì)發(fā)生明顯的全面腐蝕[3]。該批儲(chǔ)罐的底部處于廢棄的石灰中，當(dāng)下雨或有水分進(jìn)入的時(shí)候，將發(fā)生放熱反應(yīng)，即，該儲(chǔ)罐的底部可能經(jīng)常處于高于80 ℃的環(huán)境中，這在一定的程度上加劇了化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而增加了腐蝕速率。

底部封頭外側(cè)的腐蝕，形成原因可能如下：其油漆防腐層，如果沒(méi)有按照工藝設(shè)計(jì)成專(zhuān)用的耐酸堿的防腐涂料，則在一定的溫度下，儲(chǔ)罐內(nèi)外側(cè)的堿液很容易進(jìn)入涂料內(nèi)側(cè)與鋼板直接接觸，產(chǎn)生堿腐蝕甚至導(dǎo)致環(huán)境開(kāi)裂。在檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐的油漆也有大面積剝離的現(xiàn)象，分析是儲(chǔ)罐出廠時(shí)，底部封頭的表面處理未達(dá)到要求，可能存在鐵銹、油污等雜物，此時(shí)噴的油漆附著力很小，使用過(guò)程中容易發(fā)生脫落，使鋼板直接暴露在堿液中造成腐蝕。在內(nèi)外雙向均存在腐蝕的情況下，很快將容器的腐蝕裕量消耗掉，而且最嚴(yán)重的部位已超過(guò)裕量1 mm 之多。

5 問(wèn)題的處理及預(yù)防

①對(duì)于已發(fā)生腐蝕的部位，已要求使用單位將設(shè)備拆卸、發(fā)回原制造廠進(jìn)行封頭更換，并在技術(shù)上要求下部封頭的油漆，應(yīng)設(shè)計(jì)成耐堿性的油漆層，在噴漆時(shí)保持噴漆面干燥、清潔、無(wú)污物，噴漆后應(yīng)檢查油漆的致密性；②對(duì)儲(chǔ)罐下部的工業(yè)堿性廢料進(jìn)行徹底清理，并澆筑混凝土基座，建議使用單位將原堆放廢棄物的場(chǎng)所，置于原理工藝流水線的壓力容器區(qū)；③增加陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)罐的保護(hù)；④今后的使用過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)壓力容器的監(jiān)控，如每年年度檢查時(shí)，對(duì)其進(jìn)行壁厚測(cè)定以觀測(cè)其腐蝕情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

壓力容器的管理，貫穿于其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、檢驗(yàn)檢測(cè)等全過(guò)程，使用單位在定制壓力容器時(shí)，需要將容器的使用環(huán)境、盛裝介質(zhì)等關(guān)鍵信息同壓力容器生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)交流。此案例中，如果能夠在設(shè)計(jì)時(shí)將油漆設(shè)計(jì)成耐酸堿的油漆，則腐蝕速率可能沒(méi)有那么迅速，使用單位也不必將設(shè)備發(fā)回制造單位進(jìn)行維修，可以減少損失。再者，要重視定期檢驗(yàn)的作用。此案例中，檢驗(yàn)人員認(rèn)真細(xì)致地檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析成因，不但避免了更為嚴(yán)重的事故發(fā)生，而且給使用單位生產(chǎn)工藝提出了改進(jìn)意見(jiàn)，最大程度保障了企業(yè)的安全生產(chǎn)，為企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益提供了技術(shù)支撐。