化工压力容器设计中对局部腐蚀的考虑
·50·化工设备与管道2000年第37卷 材料 王非
(辽宁省石油化工规划设计院,沈阳110003) 摘要 蚀问题。
本文结合99版“容规”的新要求,以液化石油气储罐所涉及的应力腐蚀开裂为例,讨论了化工压力容器设计中涉及的金属局部腐局部腐蚀
应力腐蚀开裂 化工压力容器设计 关键词 前言
99版《压力容器安全技术监察规程》(以下简称
“容规”)本着“根据事故的经验教训,提炼为有效的控制条文”的精神,对以应力腐蚀为代表的金属局部腐蚀问题给予了前所未有的高度重视。如:第32条:“设计压力容器时,应有足够的腐蚀裕量。腐蚀裕量应根据预期的压力容器使用寿命和介质对材料的腐蚀速率确定,还应考虑介质流动时对压力容器或受压元件的冲蚀量和磨损量。在结构设计时,应考虑局部腐蚀的影响,以满足压力容器安全运行要
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求”。
第30条第2款:“对有应力腐蚀倾向的材料应注意腐蚀介质的限定含量;对有时效性的材料应考虑工作介质的相容性,还应注明压力容器使用年限”。在其13款6项中规定:“为防止介质造成的腐蚀(应力腐蚀)应注明对介质纯净度的要求”。液化石油气储罐由于事故频发而受到进一步的重视,体现在:第14条2款规定:用于制造压力容器壳体的碳素钢和低合金钢钢板当“盛装介质为液化石油气且硫化氢含量大于100mg/L”时,应逐张进行超声检测。
第73条规定:对“盛装混合液化石油气的卧式储罐”应采用炉内整体热处理的方法进行焊后热处理。
在第34条、第36条、第37条中还分别对盛装混合液化石油气储罐的设计压力、腐蚀裕量、单元充装系数和管法兰、垫片及其紧固件分别给出了具体的规定。
上述对金属局部腐蚀的要求由于重复出现而显
得系统性略有不足,但99版“容规”对其重视程度可由此略见一斑。
本文以液化石油气储罐所涉及的应力腐蚀开裂问题为例,讨论化工压力容器设计中所涉及到的金属局部腐蚀问题。 1局部腐蚀
金属和它所处的环境之间发生化学或电化学作用而引起的变质和破坏称为金属腐蚀,其中也包括上述因素或生物因素的共同作用环境的作用下引起的破坏或变质
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[1]
。腐蚀是材料在 [2] 。
按腐蚀形态可分为全面腐蚀和局部腐蚀。
如果腐蚀发生在整个金属表面上,则称为金属的全面腐蚀;如果腐蚀均匀地分布在整个金属表面,则称为均匀腐蚀;如果腐蚀只发生在金属表面的局部区域,其余大部分表面不腐蚀,称之为局部腐蚀。在压力容器设计中,对均匀腐蚀问题的对应措施是通过给出一定的腐蚀裕量进而控制其发展。局部腐蚀问题相对均匀腐蚀要困难和复杂得多。文[3]中介绍的局部腐蚀包括:
(1)电偶腐蚀又称“接触腐蚀”;(2)缝隙腐蚀;(3)孔蚀;(4)晶间腐蚀;(5)选择性腐蚀;(6)应力腐蚀开裂(SSC);(7)腐蚀疲劳; (8)冲刷腐蚀又称磨损腐蚀。广义的冲刷腐蚀包括: 第4期·51·
冲击腐蚀(湍流腐蚀);汽蚀(空蚀);摩振腐蚀。从化工压力容器设计的角度看,考虑到目前对局部腐蚀的归纳与定义尚不十分统一,广义的局部腐蚀应是包括均匀腐蚀之外的所有腐蚀形态。即对压力容器设计人员来讲,应当尽量将“环境—材料”因素都考虑进来,所有的腐蚀问题都应当在设计中给予考虑。
破坏所需的时间越短。美国腐蚀工程师协会油田设备小组委员会于1963年推荐含硫、气田用钢的硬度值<HRC22后,在国际上得到
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了普遍的采用,这个值并没有什么理论根据,它是现场经验的总结。虽然SSCC的敏感性随H2S浓度的增加而增加,但是目前还不清楚是否存在产生SSCC的H2S浓度下限值。在<1ppm的浓度下也产生SSCC,只不过所需的时间很长而已。
考虑到介质的聚积浓缩作用,是不会有产生应力腐蚀介质的浓度下限值的。同样,考虑到设备结构中的应力集中现象,在压力容器设计规则和标准上也很难确定产生SCC的临界应力。
在含有5%NaCl的1ppmH2S溶液中,HRC=21的钢也会出现破裂;冷加工油管、天然气脱硫再生塔在HRC<22时发生过破裂事故,含Ni低合金钢HB=135时也发生过破裂。 2液化石油气储罐的腐蚀
液化石油气储罐的腐蚀问题主要是局部腐蚀问 题,具体讲是所谓“硫化物应力腐蚀开裂”问题。
硫化物应力腐蚀开裂SSCC:在拉应力、水和硫化氢(H2S)共同存在的腐蚀环境条件下而产生的脆性破坏。
根据文[4]介绍,液化石油气的总硫含量不大于343mg/m,即对于合乎标准要求的液化石油气中硫化物的含量是远低于“容规”控制指标100mg/L的(343mg/m3=0.686mg/L),也远低于工程中为避免应力腐蚀开裂对硫化物的控制指标(20～50mg/L)。对水的检验是采用自测法,无水为合格。这样看来,符合标准要求的液化石油气似乎不应该发生应力腐蚀开裂现象。但是事实并非如此。许多液化石油气产品实物中硫化物含量远远超过标准的规定,作为长期使用的液化石油气储罐在
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使用寿命期间要考虑储存各种渠道来源的液化石油气产品,即使个别炼厂的产品质量是合格的,也不能保证储罐的安全。液化石油气中能够溶解少量的水,溶解度随温度的升高而增大,随着温度的波动,会产生凝结水。实际上液化石油气储罐是有条件发生硫化物应力腐蚀开裂的。
文[4]对SSCC进行了较充分的介绍和讨论。SSCC对材料的强度与硬度的依赖性很强,高强度的材料SSCC十分敏感。而这一特性对所有的应力腐蚀环境都是通用的。硬度虽然不能作为判断材料是否发生SSCC的可靠指标,但由于它不破坏设备就可方便地进行现场测定,故仍然被广泛地作为质量控制和安全检查的常用方法。许多年来现场的破坏事故经过分析后表明,硬度是对SSCC有很大影响的数据。分析统计破坏事故和实验研究数据,得出材料基本上不发生SSCC的最高硬度值在HRC20～27之间。硬度值越高,发生SSCC所需的临界应力值越低, 3
3应力腐蚀开裂问题
(1)传统的材料力学方法不能够满足解释应力 腐蚀现象的需求,20世纪六十年代后期,断裂力学
被引入应力腐蚀开裂问题的研究,并创造出一种新型的机械性能指标K1SCC,即:应力腐蚀条件下平面应变应力强度因子的临界值 [4]
。CVDA-1984《压力容
器缺陷评定规范》是断裂力学在我国压力容器行业中的充分应用。
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化工压力容器设计中对局部腐蚀的考虑
