液氨储罐腐蚀分析与防止措施详细版.docx
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液氨储罐腐蚀分析与防止措施详细版
文件编号:
GD/FS-6645
(解决方案范本系列)
液氨储罐腐蚀分析与防止措施详细版
ASpecificMeasureToSolveACertainProblem,TheProcessIncludesDeterminingTheProblemObjectAndInfluenceScope,AnalyzingTheProblem,CostPlanning,AndFinallyImplementing.
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液氨储罐腐蚀分析与防止措施详细版
提示语:
本解决方案文件适合使用于对某一问题,或行业提出的一个解决问题的具体措施,过程包含确定问题对象和影响范围,分析问题,提出解决问题的办法和建议,成本规划和可行性分析,最后执行。
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氨是一种重要的化工产品和工业原料,广泛应用于炼油、化工、农业、制药、制冷等工业。
为便于储存和运输,合成氨厂生产的产品氨通常是将氨气加压或降温处理成液氨,液氨储罐作为一种特殊的压力容器,在这些行业也广泛使用。
多年来对液氨储罐的使用和检验发现,这类储罐很少发生强度破坏,大多数是由腐蚀裂纹引起的腐蚀破坏。
根据多年实践,本文对液氨储罐可能引起腐蚀的几个方面进行分析,并提出了相应的防护措施,以防止腐蚀的发生。
1 液氨储罐的腐蚀特征
通过对各类液氨储罐的开罐检查发现,储罐内表面焊缝区的腐蚀裂纹比较严重,且多数出现在环焊缝上,裂纹断口没有塑性变形,呈现出典型的脆性裂纹特征。
裂纹多数为浅而长的表面裂纹,且有明显的分支,主干裂纹与焊缝方向垂直,尤其在手工电弧焊的引弧处和收弧处、T型接头处及封头环缝与筒体纵焊缝交叉部位,裂纹更严重。
磁粉检测发现,焊缝裂纹呈树枝状,主干裂纹多呈线性,分支较短,端部较尖锐,根部稍宽。
2 液氨储罐腐蚀分析
储罐里面的液氨是经过加压或降温而转化成的液化气,它的操作压力就是大气温度下的饱和蒸气压。
操作温度和操作压力随气候变化而波动。
《压力容器安全技术监察规程》规定,无保温或保冷、盛装低压液化气体的常温储罐,设计温度均取50℃,最高工作压力取所装介质在50℃时的饱和蒸气压力。
而广东地区夏天的最高室温一般不会超过40℃,40℃下氨的饱和蒸气压为1155MPa,通常操作压力为018~112MPa,故储罐一般不会因超载而发生强度破坏。
由于液化气的膨胀系数非常大,为水的数十倍,如果液体充满储罐,储罐内的压力就不再是蒸气压,而是液体的膨胀压力。
储罐的工作压力直接受温度的影响,温度每升高1℃,液氨储罐的压力就可升高11316~11875MPa,温度只要升高3~5℃,储罐就会因严重超载而爆炸。
因此,《压力容器安全技术监察规程》规定了储罐在不同充液温度下的装量系数,以保证储罐内有足够的气体空间。
如果储罐在投入使用前抽气不完全,就很容易使空气掺杂在里面。
液氨在充装、排料及检修等过程中,也会受到空气的污染,储罐焊缝处存在由于操作压力引起的拉应力和焊接残余应力。
在拉应力状态下,碳钢在被空气污染的液氨环境中很容易发生应力腐蚀破坏。
空气中的O2、CO2、N2都会促进液氨对罐壁材料的腐蚀。
不论是在气相或液相中,氨、O2和N2与碳钢或低合金钢组成了应力腐蚀环境,产生应力腐蚀(SCC)。
其腐蚀的机理为:
在含O2的液氨中,钢表面吸附O2形成氧膜,这使腐蚀电位保持在正值,当材料受拉力产生应变后,膜被破坏,暴露出来的新鲜表面(滑移阶)与有氧膜的金属表面组成微电池,产生快速溶解。
在没有其他杂质存在时,O2能在裸露金属表面上再成膜,抑制应力腐蚀的产生;而当液氨中同时溶有N2时,由于N2与O2在滑移阶上产生“竞争吸附”,阻止部分裸露滑移阶的再钝化,从而增加钢的应力腐蚀断裂敏感性[1]。
上述有关应力腐蚀的条件,只要缺任何一种,应力腐蚀均不能发生。
而空气中的CO2则会导致全面腐蚀,其腐蚀机理为:
阴极反应:
O2+2NH4+4e——OH-+2NH3
阳极反应:
2Fe——2Fe2++4e-
整个反应为:
O2+2NH4+2Fe——2Fe2++2OH-+2NH3
有CO2共存时,则生成碳酸铵:
2NH3+CO2——NH4CO2NH2
NH4CO2NH2——NH4+NH2CO2-
反应中产生碳基甲酸氨(NH4CO2NH2)对碳钢有强烈的腐蚀作用,它使钢材表面的钝化膜在滑移台阶产生破裂,并沿此处发展为阳极型的腐蚀裂纹。
因此,这两种腐蚀作用相互促进,加剧了材料的腐蚀破坏。
这种应力腐蚀与母材的强度有关,强度越高,腐蚀敏感性越大。
储存温度也会对应力腐蚀产生影响,0℃以上常温操作的储罐,应力腐蚀易发生。
3 防护措施及安全评估
液氨储罐从设计、制造到使用的各个环节,如果方法不得当,都会对应力腐蚀埋下隐患。
故意防腐蚀应从设计、制造到使用过程的整个质量保证体系的各个环节都采取可靠的措施。
(1)材料选择。
实践证明,材料强度越高,发生应力腐蚀的可能性越大。
但不发生应力腐蚀的最低强度限与杂质含量及特性、应力大小、操作速度等因素有关。
为了防止应力腐蚀,在综合考虑操作压力、残余应力以及安全性和经济性的情况下,应尽可能选用强度较低的钢材。
(2)采用合理的结构和焊接工艺。
结构上应避免焊缝过多、过于集中、焊缝不对称、焊缝交叉和焊接顺序不合理等造成的应力集中。
制造时应避免强力组焊,防止咬边、错边等缺陷,保证与介质接触的表面尽量光滑[2]。
制造完成后,应进行退火热处理以去除焊后残余热应力。
正确的焊后热处理可以大大降低制造过程中的残余应力,并可以降低焊接热影响区的峰值硬度。
(3)对投入使用前的新储罐,应彻底清除里面的空气;在充装、排料及检修等过程中,采取一定的措施避免带进任何空气。
对大型储罐应连续冷凝氨蒸气,而不凝气体大部分是空气,应将其排出。
对较小的设备用抽气或蒸腾除去储罐里面的空气。
总之,消除储罐里面的空气污染,可以有效地防止应力腐蚀。
(4)新投用的储罐,应按规定进行内外部检验并进行周期性的定期检验。
对液、气相界面、引收弧处及T型接头等易腐蚀部位应重点检验;对液面以下所有焊缝应进行100%磁粉或超声波探伤,若条件允许,应对所有焊缝进行100%磁粉探伤。
对检验出的裂纹应进行评估。
因应力腐蚀界限断裂韧度JISCC大约只有材料常规断裂韧度D0105的1ö5,所以应根据断裂力学判据对裂纹进行安全等级评估,并给出处理意见及下次检验时间。
对于不超过1ö4壁厚和深度小于4mm
的浅裂纹,可以采用打磨的方法进行机械消除,但要严格控制打磨工艺;对于较深的裂纹,先进行打磨处理后再进行补焊。
补焊前应先预热加温以防止焊接硬化,焊接时宜采用低氢焊条,焊后进行探伤复查,并进行去应力处理。
(5)定期检测液氨浓度和含水率,发现水分低于临界浓度应及时补充水分,使含水率始终保持在012%~1%的范围。
另外,还可加入其它抑制剂,如加入100Lgög的冷冻机油或5Lgög的菜籽油或10~50Lgög的硅油作为应力腐蚀抑制剂,都可有效地抑制液氨引起的应力腐蚀。
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