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压力容器锥形封头的局部腐蚀失效

 论文栏目:压力容器论文     更新时间:2018/2/7 10:30:29   

摘要对于锥形封头式的压力容器,由于封头的结构特殊性,使压力容器在工作运行中经常受到流体介质的冲刷,不可避免地会出现锥形封头处的壁厚因腐蚀而减薄。本文将对压力容器锥形封头因局部腐蚀引起的壁厚减薄失效事故进行分析,并对预防措施进行讨论。

关键压力容器;封头;局部腐蚀;失效;分析;预防

1概述

某单位在用流体输送罐(见图1),上部为椭圆形封头,下部为锥形封头,工作介质为烧结矿除尘灰和空气。2015年9月定期检验的时候,在下部锥形封头正对上封头管道介质进口直冲处发现壁厚有减薄现象,测得最小值min=3.25mm,其他部位正常,初步判断容器下部锥形封头部位发生了局部腐蚀。容器相关参数:设计压力1.10MPa,容积1.5m3,材质Q235-B,内径1000mm,壁厚10mm,高2500mm,最高使用压力0.90MPa,制造日期2008年9月。下面将针对此种情况进行分析。

2封头的强度校核

发现容器壁厚测量异常后,引起了检验人员的高度重视。通过多次测量分析,确定该处局部腐蚀形状大致为一圆形区域,以最薄处3.25mm为圆心,半径约为65mm的圆形区域(见图1),具体测厚数值见表1.按照《压力容器定期检验规则》和《钢制压力容器》(GB150-1998)有关规定,决定对锥形封头进行强度校核,校核公式为:……公式1式中:c—锥壳计算厚度,mm;Pc—计算压力,取安全阀开启压力Pc=0.95MPa;Dc—锥壳计算内直径,Dc=1000mm;[]t—设计温度下锥壳所用材料的许用应力,查表知[]t=113MPa;—焊接接头系数,受压时取=1.0;—锥壳半顶角,测量计算得=22.5°。将上述数据代入公式1,得:c=4.57mm>min=3.25mm。由此得出结论:锥形封头强度校核不合格。这意味着该容器在最高使用压力为0.90MPa的运行条件下,已无法满足强度要求。

3腐蚀原因分析

3.1金属腐蚀的分类

金属与周围介质发生化学或电化学作用而产生的破坏称之为金属腐蚀。按照腐蚀机理,可将金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀是指金属与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏。腐蚀过程是一种纯氧化和还原的纯化学反应,即腐蚀介质直接同金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物。反应过程中没有电流产生,其过程符合化学动力学规律。如铅在四氯化碳或乙醇中的腐蚀,金属在高温气体中刚形成膜的阶段都属于化学腐蚀。电化学腐蚀是金属与电解质溶液发生电化学作用引起的破坏。如金属在海水、大气、各种酸碱盐溶液中发生的腐蚀都属于电化学腐蚀。按照金属破坏的特征,可将金属腐蚀分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀是指腐蚀破坏作用发生在整个金属表面上,使压力容器的整个壁厚逐渐减薄。局部腐蚀是指腐蚀在金属的局部集中发生,使金属在小范围内受到腐蚀破坏,而其他部分几乎没有腐蚀或腐蚀很轻微,是较全面腐蚀危险的多的腐蚀形态。这是因为全面腐蚀的特征明显,并且由于腐蚀的速度相差不大,可以很容易的推算出腐蚀的速度,进而估算破坏所带来的损失和更换设备的时间,达到设备利用的最大化。相反,局部腐蚀是容器的局部发生破坏,这种破坏往往是隐秘的,不易发现。此外,局部腐蚀的反应机理和反应条件更加复杂,所以无法确定其反应速率,这样就会容易出现容器的突然破坏和事故的发生,造成重大的人员伤亡。局部腐蚀的类型很多,常见的有冲击腐蚀(亦称磨损腐蚀)、小孔腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀等。

3.2原因分析

由于该容器其他部位厚度值正常,仅在上封头管道介质进口直冲处(即锥形封头上)壁厚有减薄现象,结合金属腐蚀的分类和容器的介质,分析判断该处的减薄是由于冲击腐蚀和电化学腐蚀共同作用引起的。冲击腐蚀是指金属表面与流体介质(不论是否具有腐蚀性)之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象,尤其流体中悬浮较多较硬的固体颗粒时,更会加剧这种破坏。一般来说,相对速度越高,流体中悬浮的固体颗粒越多越硬,则冲击腐蚀速度越快,常见于压力容器介质进口直冲处或介质走向突然变化处。另外,容器的介质主要为烧结矿除尘灰和空气,其中除尘灰主要成分有TFe、SiO2、CaO、MnO、MgO、Al2O3、P2O5、TiO2、硫化物等。由于除尘灰粒度细、比表面大,故吸水性强,水分含量多。空气中含有少量SO2,在干燥的环境中,SO2腐蚀作用很弱,但如果与水结合在一起,生成亚硫酸,PH值(是影响腐蚀的一个重要因素)可达3,将会对金属产生较强的腐蚀作用。在该容器正常工作状态时,在上封头管道介质进口直冲处(见图2)的金属表面钝化膜和金属离子因受高速的固体粉尘颗粒流体冲击,首先在金属表面产生壁面剪应力,致使其钝化膜或覆盖层产生机械损伤离开金属表面,发生冲击腐蚀,新鲜的金属表面不断被冲刷磨损。此时,被冲击腐蚀形成的新鲜的金属表面与亚硫酸发生电化学腐蚀,不断向材料内部扩展。循环往复,形成材料钝化—流体冲刷—电化学腐蚀破坏—再钝化交替的破坏过程,最终导致直冲处壁厚减薄。图2介质直冲区域下面接着来讨论一下冲击腐蚀和电化学腐蚀在此次事故中谁主谁次的问题。本文中容器的材质为Q235-B,查询耐腐蚀性能表可知,Q235-B在亚硫酸的环境下腐蚀速率为>1.5mm/a,因腐蚀严重是不适合在亚硫酸环境下使用的。如果电化学腐蚀在此次事故中起主导作用的话,该容器在下部锥形封头部位应该发生全面腐蚀而非局部腐蚀。但事实并非如此,为何?这说明电化学腐蚀并非此次事故的主因。那就只有冲击腐蚀了。管道介质进口直冲处在含有较多较硬的TFe、SiO2、CaO、MnO等固体颗粒组成的高速流体的冲击下,表面的钝化膜或覆盖层被破坏,新鲜的金属表面产生机械损伤,不断被冲刷磨损。这就给了亚硫酸可趁之机,在新鲜的金属表面发生电化学腐蚀,进一步加速了腐蚀破坏。由此可见,冲击腐蚀是主因,电化学腐蚀是次要的。如能采取措施使管道介质进口直冲处避免受到冲击腐蚀,就可有效减小该处发生局部腐蚀的机会。

4事故处理及预防措施

4.1事故处理

根据《固定式压力容器安全技术监察规程》和《压力容器定期检验规则》有关规定,立即向使用单位下发了特种设备检验意见通知书,要求其立即停止使用,同时建议使用单位可按相关程序找有资质的单位维修。接到通知书后,使用单位立即与我们取得了联系,并积极寻找维修单位。经三方多次沟通,最终确定对局部腐蚀部位补焊,并在介质进口直冲区域加设缓冲板(见图3),以预防冲击腐蚀的再次发生。维修完成后,经监检合格后投入使用。经过近几个月的试运行,检测局部腐蚀处及其周围壁厚未有减薄现象,事故处理取得预期效果。

4.2预防措施

抑制冲击腐蚀最有效的方法是正确的选材与合理的结构设计。4.2.1选材正确选材是最重要的防腐蚀方法。选材的目的是保证压力容器能正常运行,有合理的使用寿命和最低的经济支出,必须综合考虑和分析容器所处的介质、温度、压力和环境条件等。首先要考虑耐蚀性能,其次考虑耐磨性,提高材料的硬度,软的金属材料在冲击腐蚀条件下,易于因磨损而加速破坏。4.2.2设计结构设计不当时,在腐蚀性流体介质的冲刷下,往往可在很短时间内造成压力容器的破坏。降低流速(在输送流体容量一定的条件下,增加管径可降低流速);对受流体冲刷部位加厚和热处理;尽量避免结构截面尺寸和形状突变;在流体冲刷部位加设缓冲板;过滤悬浮的固体颗粒;采用涂镀层技术保护材料表面等措施,可以减小或避免冲击腐蚀的发生。

5结论

压力容器上封头管道介质进口直冲处在高速流体的冲刷下,使表面的钝化膜或覆盖层产生机械损伤离开金属表面,发生冲击腐蚀,新鲜的金属表面不断被冲刷磨损,并与由SO2与空气和除尘灰中的水结合生成的亚硫酸发生电化学腐蚀,不断向材料内部扩展,循环往复,最终导致直冲处壁厚减薄,强度减弱,无法满足容器的安全稳定运行。因而,在设备管理过程中,应加强日常监控,对易发生冲击腐蚀的部位定期测厚,及时发现问题,随时掌握其安全技术状况。发现问题及时处理,必要时应与特种设备检验检测机构或生产厂家联系,切实保障压力容器的安全稳定运行。

参考文献

[1]GB150-1998.钢制压力容器〔S〕.[2]TSGR7001-2013.压力容器定期检验规则〔S〕.

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[4]薛国成,李晓蕾.浅析压力容器内部腐蚀及缓蚀对策〔J〕,引文版:工程技术.2015(39):153.

[5]任凌波,任晓蕾.压力容器腐蚀与控制〔M〕.北京:化学工业出社.2003.6.

[6]闫康平,陈匡民.过程装备腐蚀与防护〔M〕.北京:化学工业出社.2009.5.

[7]吴粤燊.压力容器安全技术手册〔M〕.北京:机械工业出版社.1999.3.

作者:常国富 管亚军

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