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  • 304厚壁不銹鋼管應力腐蝕與防護

    針對石油化工設備運行的特點,介紹了304厚壁不銹鋼管應力腐蝕的常見工況,著重分析了應力腐蝕的條件、腐蝕機理及防護措施,為304厚壁不銹鋼管的選材和使用提供參考。

    在石油化工設備中,304厚壁不銹鋼管因其良好的熱塑性和耐蝕性而得到廣泛應用,但在某些介質條件下可能腐蝕破壞,常見的有孔蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕。應力腐蝕開裂是一種在沒有預兆的情況下發生的腐蝕破壞形式,且破壞速度快、破壞較為嚴重。由于脆性斷裂的不可預見性,對化工設備的安全長周期運行構成嚴重的威脅。因此,研究304厚壁不銹鋼管應力腐蝕的成因,及對其采取有效的防護措施十分必要。

    1應力腐蝕的特征與機理

    304厚壁不銹鋼管是在特定腐蝕因素和拉應力共同作用下出現的腐蝕開裂,且開裂時的應力低于材料自身的強度極限,斷口的宏觀形貌表現為脆性斷裂。一般認為在拉應力作用下附著在金屬材料表面的鈍化膜破裂,形成蝕孔和裂紋源,將金屬材料暴露在腐蝕環境中,在拉應力的反復作用下,新生成的鈍化膜繼續破裂,裂紋沿著拉應力的方向持續擴展,并且在裂紋尖端的閉塞區產生了氫,氫擴散到金屬內部造成催化,在拉應力作用下出現脆性斷裂。脆性裂紋不斷地沿著縱深擴散,直至金屬材料斷裂破壞。

    2應力腐蝕的影響因素

    2.1腐蝕介質

    304厚壁不銹鋼管造成應力腐蝕的介質較多,石油化工中較為常見的有以下幾種:氯離子、堿液、連多硫酸、硫化氫水溶液、硫酸根、硝酸根、氟離子水溶液等。氯離子造成的304厚壁不銹鋼管應力腐蝕的事故較多,氯離子應力腐蝕必須滿足介質為中性環境且含有氧化劑或者溶解氧,應力腐蝕的速率隨著氯離子濃度的增加而加快,當腐蝕介質處于50200℃發生應力腐蝕的傾向最大。堿液應力腐蝕同樣需要在有氧條件下發生,堿液溫度達到其沸點時將造成金屬材料應力腐蝕開裂,應力腐蝕速率隨著堿液濃度降低而減慢,當堿液濃度低于50%時,應力腐蝕幾乎不再發生。連多硫酸多是在設備停工檢修過程中潮濕環境下,金屬表面上的硫化鐵與空氣中的氧和水發生而生成。當304厚壁不銹鋼管處于敏化狀態下且存在拉應力時,金屬材料接觸連多硫酸后可能造成應力腐蝕。連多硫酸應力腐蝕還與pH值有關,當pH大于5時發生應力腐蝕的概率較小,應力腐蝕隨著pH值的降低而加速。

    2.2應力

    引起304厚壁不銹鋼管應力腐蝕的應力主要來源于工作載荷、設備加工過程中的殘余應力、熱應力和裝配應力。其中,殘余應力造成的破壞在應力腐蝕中占比最大,約占80%。而殘余應力在設備的加工、安裝過程中又是難以避免的,最為常見的有焊接殘余應力、冷加工彎曲引起的殘余應力、膨管引起的殘余應力,殘余應力越大越易造成應力腐蝕開裂。

    3防護措施

    304厚壁不銹鋼管應力腐蝕的三個必要因素為腐蝕介質、拉應力和金屬材料,現由上述三個方面入手分析其防護措施。

    3.1改進加工工藝

    以固溶態交貨的304厚壁不銹鋼管還應再做固溶穩定化處理,來消除加工過程中形成的殘余應力。坡口不允許熱切割,應采用機械加工。選用合適的焊接工藝以保證熱影響區受熱均勻,必要時還應進行焊后熱處理,減小焊接殘余應力。保證金屬表面光滑程度,避免切削痕跡。設計中要盡量避免缺口、尖角、小半徑彎管等結構,最大限度的避免集中應力。

    3.2改善介質環境

    嚴格控制氯離子和氧的濃度,可采用蒸餾或者離子交換方式降低介質中的氯化物濃度,通過添加化學試劑或者機械鼓泡方式除氧,還應注意定期對304厚壁不銹鋼管設備進行清洗和除垢,以防止氯離子濃縮和吸附。停工檢修時應及時采用充氮氣的方法來隔絕空氣和水與金屬材料的接觸,避免連多硫酸的產生。打開設備前應在設備表面進行充分的堿洗,去除可能已經生成的連多硫酸。

    3.3金屬材料

    對于氯離子造成的應力腐蝕,可通過添加鉬、鎳等合金來提高材料的抗開裂性能,也可以通過噴丸處理人為的制造壓應力,防止不銹鋼敏化。對于連對硫酸造成的應力腐蝕,可選擇對連多硫酸應力腐蝕開裂不敏感的材料,如低碳不銹鋼或雙相鋼等。操作溫度低于400℃時,可選用低碳不銹鋼。對于堿液造成的應力腐蝕,可通過退火熱處理來消除應力。

    4結語

    應力腐蝕對化工設備的長周期安全運行構成極大威脅,深入研究應力腐蝕的成因、腐蝕機理及防護措施可有效控制應力腐蝕破壞,從而保障設備安全運行。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管

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