液氨罐的腐蚀问题

2018-09-05 12:18:53 作者：本网整理来源：泰捷网络设计院分享至：

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1155M Pa, 通常操作压力为018～112M Pa, 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～ 11875M Pa, 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。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CO 2 共存时，则生成碳酸铵： 2NH3+ CO2——NH4CO 2NH2 NH4CO 2NH2 ——NH4 + NH2CO2-

反应中产生碳基甲酸氨（NH4CO 2NH2）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。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J ISCC大约只有材料常规断裂韧度D0105的1?5, 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1?4 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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责任编辑：韩鑫

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