压力容器, 英文:pressure vessel;指盛装气体或者液体, 内部承载一定压力的密闭容器设备。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器等均属于压力容器。因为其内部承载很大压力, 一旦发生腐蚀必将引起巨大的严重后果。所以压力容器必须进行定期技术检验, 检验的主要目的是要及早发现容器所存在的缺陷, 并第一时间消除隐患, 防止缺陷继续发展扩大, 最后造成严重的破坏事故。
1 压力容器腐蚀的概述
腐蚀是压力容器在使用的过程中最容易产生的一种缺陷。尤其是在化工容器中。它是由于金属与其所接触的介质产生化学或者电化学变化作用而引起的。容器的腐蚀分很多种, 可以是均匀腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀等等。不管是哪一种腐蚀, 严重的都会导致容器的失效或破坏, 甚至爆炸等更严重的后果。
压力容器腐蚀的分类如下。
1.1 外部腐蚀
容器的外部腐蚀主要是外壁和大气接触发生氧化反应的结果。这种腐蚀受环境因素影响比较大。在潮湿地区或多雨季节比干燥地区或季节更容易发生。而就容器本身而言, 外壁的腐蚀多产生于经常处于潮湿状态或者容易积水的部位。
1.2 内部腐蚀
容器内壁的腐蚀主要是由于工作介质或者它所含有的杂质的作用而产生的。
容器内壁的腐蚀经常是由于防腐蚀措施遭到了破坏而引起的。内壁的腐蚀也有可能是因为正常的工艺条件被破坏而引起, 例如干燥的氯气对钢制的容器不会产生腐蚀作用, 但是, 如果氯气中含有了水分或者充装氯气的容器因为进行水压试验后没有干燥而有残留, 或由于其它的原因进入水分, 那么氯气与水反应生成盐酸或者次氯酸, 就会对容器内壁产生强烈的腐蚀作用。
由于结构上的原因也可引起或者加剧腐蚀作用, 例如:装有腐蚀性沉积物的容器, 排出管若高于容器的底面, 容器底部就会长期积聚有腐蚀性的沉积物, 然后产生腐蚀。此外, 焊缝和铆接容器的铆钉周围、接缝区及热影响区都是容易产生腐蚀的地方。具体分类如下。
(1) 应力腐蚀。
(1) 一氧化碳引起的应力腐蚀。
这种腐蚀多发生在贮运容器类。在一般情况下, 铁可以吸附一氧化碳, 从而在金属表面形成一层致密的保护膜。但是由于气瓶反复多次的充气使用, 瓶壁上的交变应力就会使这层保护膜遭到破坏, 于是在保护膜被破坏的地方, 二氧化碳和水发生相互作用, 使铁发生阳极溶解, 并形成纵深方向扩展的裂纹。
(2) 氯离子引起的应力腐蚀。
由氯离子引起的奥氏体不锈钢的应力腐蚀, 裂纹通常都是穿晶形的, 并且绝大多数是分枝状裂纹。
这种应力腐蚀一般是由于错误的操作而引起的。国外也曾报道过不锈钢设备在停车期间, 由于残留了5%氯化物的冷凝液而产生应力腐蚀造成泄漏的例子。也有部分化工设备由于使用含氯离子较高的水来作水压试验, 结果放水后残留的液体因为被浓缩而产生应力腐蚀。
(2) 焊接接头腐蚀。
通常焊接接头的化学成分比较复杂而且不均匀, 各部分之间又存在电极电位差;组织亦不均匀, 各部分耐腐蚀性能都有差异;再加上焊接残余应力的影响和载荷下焊接接头的形状引起的应力集中的影响, 使焊接接头成了容易发生腐蚀的部位。
(1) 均匀腐蚀。
表面受到介质均匀腐蚀作用产生的腐蚀称为均匀腐蚀 (如图1) 。这种腐蚀一般发生在潮湿或酸性环境中。
(2) 局部腐蚀。
与均匀腐蚀相对应的, 当合金成分或组织不均匀时, 或在局部区域有气孔、杂物等缺陷时, 就会引起局部的腐蚀。这种腐蚀大部分在焊接缝上 (如图2) 。
(3) 晶间腐蚀。
这是一种最危险的腐蚀。因为这种腐蚀是沿着晶间深入到金属内部的, 在表面破坏现象不明显, 所以不容易被察觉。腐蚀期间, 晶界迅速被溶解, 晶粒也会随之脱落, 所以检查敲打时不会发出金属声音。晶间腐蚀一般分两种情况:第一种是焊接时已经有碳化物的沉淀, 所以形成贫铬层。第二种是焊接后经受了敏化加热的过程而出现铬的碳化物沉淀。此外, 还有一种非敏化态的晶间腐蚀, 这种腐蚀与贫铬无关。
奥氏体不锈钢在固溶热处理之后, 晶粒间不存在富铬碳化物等情况下, 有时也会发生晶间腐蚀 (如在强氧化或还原介质中) 。发生非敏化态晶间腐蚀的主要原因是不锈钢中磷、硅等元素在晶粒边界发生偏聚而引起的。
2 压力容器腐蚀的防护措施
2.1 注意工作环境
(1) 外部环境。
针对外壁腐蚀的特点, 我们在工作中要注意压力容器的储存和工作环境, 避免潮湿, 在允许的范围内经常通风, 保持干燥。
(2) 内部环境。
对于容器内部介质腐蚀性特别强的压力容器, 要么没有合适的耐腐金属材料, 要么就是材料太昂贵, 针对这种情况可以采用衬里防护的方法解决腐蚀问题。通常情况, 压力容器采用的衬里有橡胶、玻璃钢、不锈钢、钛、聚四氟乙烯等, 具体要根据容器内的介质特性、工作压力以及工作温度等情况决定。不锈钢、钛适用于压力和温度都比较高的场合, 但是施工相对困难, 而且成本比较高。衬非金属材料要求使用温度和压力都不能太高, 所以受到一些限制。
2.2 合理选材
在很多工程和工作中, 工作的环境是无法改变的, 在这样的情况下, 我们可以根据环境中不同腐蚀因子的情况选择合适的材料, 尽量选择屈服强度低于220MPa的低碳钢或者铁素体钢。如果根据需要, 必须选择高碳钢, 就要在焊接工艺上采取相应措施。
2.3 合理设计结构和加工制造
在设计和制造的程序中, 要最大限度使应力均匀分布, 避免局部集中。例如:当壁厚不等的时候, 链接部位要缓慢过渡;卧式设备的开孔和焊缝部位应该避开可能会产生应力的地方;如果是立式设备就不要采用悬挂式的支座或者塔接式的裙座。
在结构设计中一定要尽量避免缝隙和可能会让腐蚀液存留的死角。因为缝隙和死角会为有害物质的浓缩提供便利的空间和条件。所以焊接应该采用全焊透结构。另外, 在换热器管与管板的连接过程中尽量采用胀焊并用的结构。
要减少近缝区过热的现象, 避免在焊接的过程中产生“中温敏化”的情况。例如, 针对腐蚀介质的焊缝要留到最后焊接, 尽最大可能避免交叉焊缝, 减少焊缝的接头等等。在双面焊缝中, 接触腐蚀介质的一边焊缝不能安排在最后焊接时, 应该调整焊缝尺寸形状以及焊接规范, 使第二面的焊缝产生的敏化温度区不落在前一面焊缝的表面的过热区上, 不然就会产生刀状腐蚀。
2.4 热处理
压力容器在焊接的时候在焊缝的热影响区经常存在着焊接残留应力, 这种应力有的时候会达到材料的屈服极限, 在一些特殊的腐蚀环境中特别容易出现腐蚀。所以压力容器如果是在有应力腐蚀的空间中工作, 应该在焊接前进行预热的准备工作, 在焊接后再进行消除残余应力的热处理。至于热处理的温度、保温时间取决于金属的组成成分、组织的变形程度以及介质的性质等多种因素。下表列出了金属和合金的热处理温度以及冷却时间。
如表1所示。
对腐蚀介质进行处理。
在生产条件允许的范围内, 对介质进行处理, 脱除可能引起严重腐蚀的有害成分, 或者采用一些缓蚀剂、抗垢剂等来减轻和抑制腐蚀, 进而提高设备的抗腐蚀能力。
3 压力容器的检查
由于容器外壁的腐蚀通常是均匀腐蚀或局部腐蚀, 所以用直观检查的方法就可以发现。
外壁有油漆防护层的容器, 如果防护层完好, 而且也没发现其它可疑现象, 一般不用清除防护层来检查金属外壁的腐蚀情况;对于外面有保温层或其它覆盖层的压力容器, 如果保温层对器壁没有腐蚀作用, 或者容器壳有防腐层, 在保温层正常的情况下, 也不需要拆除保温层, 但是如果发现泄漏或者其它可能发生腐蚀的迹象, 则应该在可疑之处拆除保温层进行全面检查。
直观检查后, 如发现容器内壁或者外壁有均匀腐蚀或者局部腐蚀的情况, 应测量被腐蚀的部位的剩余厚度, 进而确定器壁的腐蚀厚度以及腐蚀速率。
发现腐蚀缺陷后要及时处理, 一般原则是以下几个方面。
(1) 当内壁发现晶间腐蚀或者断裂腐蚀时, 要停止使用。如果腐蚀是微小的, 可以根据具体的情况, 在进行适当处理之后再使用。
(2) 发现分散点腐蚀时, 如果不妨碍工艺操作的话 (裂纹、腐蚀深度要小于计算壁厚的一半) , 可以对缺陷不作处理而继续使用。
(3) 均匀腐蚀和局部腐蚀要遵照剩余厚度不小于计算厚度的原则, 再做缩小检验间隔期限、继续使用、降压使用或判废的处理。
要正确选择并确定检验的重要部位 (1) 容器底部和底封头——容易造成液体残留或者固体物质沉淀积累; (2) 胀接结构和容器内支承件——容易形成缝隙死角; (3) 容器开孔、T型焊结构、焊接交叉——应力集中部位; (4) 饱和热水塔底部和换热交换器——气液相交部位; (5) 局部过热点——温差变化较大; (6) 进料口和管口处。
4 结语
压力容器腐蚀对设备的安全使用有很大的威胁, 不能忽视。只要我们弄清楚腐蚀的原因, 对此进行分析、讨论和研究, 采取及时有效的防护措施, 就可以减缓或者抑制由于腐蚀带来的破坏, 确保设备安全的运行。
摘要：本篇文章主要针对压力容器的腐蚀情况进行了详细的说明。从大体上分为内部腐蚀和外部腐蚀及接头腐蚀三大类, 然后具体针对腐蚀类型, 从材料选取、加工制造、热处理等方面提出防护措施及处理意见。
关键词：压力容器,腐蚀,裂纹,处理方法
参考文献
[1] 黄永昌.金属腐蚀与防护原理[M].上海交通大学出版社, 1989:156.
[2] 肖纪美.应力作用下的金属腐蚀[M].北京化学工业出版社, 1990:136.
[3] 孙秋霞.材料腐蚀与防护[M].北京冶金工业出版社, 2001:66.
[4] 马特松.腐蚀基础[M].北京冶金工业出版社, 1990.
[5] 曹楚南.腐蚀电化学原理[M].北京化学工业出版社, 1985.
[6] 沈达德.钢铁腐蚀学[D].四川成都科学技术大学, 1979.