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本文格式为Word版,下载可任意编辑——化工设备焊接接头晶间腐蚀与防护化工设备焊接接头晶间腐蚀与防护
化工设备是组成一家石油化工企业的基本。其随着经济的发展,对化工产品的需求不断的增加,越来越多的设备在其设计能力下满负荷运行。因而目前对全球的化工企业而言,设备的防护保养方面,防止受到腐蚀发生故障而造成损失已成为十分重要的问题。大量专家也认为,材料保护和防腐措施是降低维护费用和使石油化工厂安全稳定运行的重要保证。
化工设备腐蚀破坏四处可见,腐蚀事故频频发生,这除了因腐蚀本身所具有的自发性质外,很大程度上是由于人们对腐蚀的危害性估计不足,对腐蚀防护的重要意义认识不深,对腐蚀与防护科学缺乏应有的知识,没有采取防腐蚀措施、或采取的防腐蚀措施不当所致。
而有关数据说明,各类设备类腐蚀现象中,焊接接头晶间腐蚀尤为突出严重。其造成的经济损失不可估量。所以本文着重介绍焊接接头腐蚀及晶间腐蚀的产生原因及防护。
下面就是一个典型的,由焊接接头腐蚀而引起的化工生产事故。“山东赫达股份有限公司9.12爆燃事故〞
2023年9月12日,山东赫达股份有限公司发生爆燃事故,造成2人重伤,2人轻伤,直接经济损失约230余万元。山东赫达股份有限公司位于淄博市周村区王村镇王村,注册资本1900万元,职工总数220人,主要从事纤维素醚系列产品、PAC精制棉、压力容器制造等产品的生产和销售。
1事故经过
2023年9月12日11时10分左右,山东赫达股份有限公司化工厂纤维素醚生产装置一车间南厂房在脱绒作业开始约1小时后,脱绒釜罐体下部封头焊缝处突然开裂(开裂长度120cm,宽度1cm),造成物料(含有易燃溶剂异丙醇、甲苯、环氧丙烷等)泄漏,车间人员闻到刺鼻异味后马上撤离并通过电话向生产厂
长报告了事故状况,由于泄漏过程中产生静电,引起车间爆燃。南厂房爆燃物击碎北厂房窗户,落入北厂房东侧可燃物(纤维素醚及其包装物)上引发火灾,北厂房员工迅速撤离并组织救援,10分钟后火势无法控制,救援人员全部撤离北厂房,北厂房东侧发生火灾爆炸,2小时后消防车赶到火灾被扑灭。事故造成2人重伤,2人轻伤。
2事故判定及原因
以上这起事故,虽然没造成十分严重的后果,但十分值得我们去深思。最初判定其原因是由于晶间腐蚀及奥氏体不锈钢焊接接头腐蚀造成的事故。而其主要原因有以下两点。
(1)事故发生的直接原因是:纤维素醚生产装置无正规设计,脱溶釜罐体选用不锈钢材质,在长期高温环境、酸性条件和氯离子的作用下发生晶间腐蚀,造成罐体下部封头焊缝强度降低,发生焊缝开裂,物料喷出,产生静电,引起爆燃。
(2)事故发生的间接原因是:企业未对脱绒釜罐体的检验检测做出明确规定,罐体外包有保温材料,检验检测方法不当,未能及时发现脱绒釜晶间腐蚀现象,也未能从工艺技术角度分析出不锈钢材质的脱绒釜发生晶间腐蚀的可能性;生产装置设计图纸不符合国家规定,图纸载明的设计单位为淄博泰科工程设计有限公司,但无设计公司单位公章,无设计人员签字,未载明脱绒釜材质要求,存在设计缺陷;脱绒釜操作工在脱绒过程中升气阀门开度不足,存在超过工艺规程允许范围(0.05MP以下)的现象,致使釜内压力上升,加速了脱绒釜下部封头焊缝的开裂。安全现状评价报告中对脱绒工序危险有害分析不到位,未提及脱绒釜存在晶间腐蚀的危险因素。
3晶间腐蚀及奥氏体不锈钢焊接接头腐蚀
石油化工生产工艺和生产条件是多样化的,它的操作温度在-196~1100℃之间变化;操作压力从真空到280.0MPa乃至更高的范围内变化,操作介质更是多
种多样,主要介质包括了剧毒、可燃介质,蒸汽和其它无危险性介质,因此对各类材料各类介质的了解,及明确其腐蚀特点尤为重要。
对于上起事故的主要两种腐蚀所造成的。
3.1晶间腐蚀
主要由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。晶间腐蚀破坏晶粒间的结合,大大降低金属的机械强度。而且腐蚀发生后金属和合金的表面仍保持一定的金属光泽,看不出被破坏的迹象,但晶粒间结合力显著减弱,力学性能恶化,不能经受敲击,所以是一种很危险的腐蚀。寻常出现于黄铜、硬铝合金和一些不锈钢、镍基合金中。不锈钢焊缝的晶间腐蚀是化学工业的一个重大问题。
造成本起事故产生的晶间腐蚀的材质是不锈钢。当受到应力作用时,即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失,这是不锈钢的一种最危险的破坏形式。晶间腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区(HAZ)、焊缝或熔合线上,在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀线腐蚀(KLA)。
不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必需大于10~12%。当温度升高时,碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。由于室温时碳在奥氏体中的溶解度很小,约为0.02%~0.03%,而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值,故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散,并和铬化合,在晶间形成碳化铬的化合物。数据说明,铬沿晶界扩散的活化能力162~252KJ/mol,而铬由晶粒内扩散活化能约540KJ/mol,即:铬由晶粒内扩散速度比铬沿晶界扩散速度小,内部的铬来不及向晶界扩散,所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部,而是来自晶界附近,结果就使晶界附近的含铬量大为减少,当晶界的铬的质量分数低到小于12%时,就形成所谓的“贫铬区〞,在腐蚀介质作用下,贫铬区就会失去耐腐蚀能力,而产生晶间腐蚀。
晶间腐蚀示意图如下图所示。
3.2奥氏体不锈钢焊接接头的腐蚀
其原因是由于焊接接头的化学成份不均匀,各部分存在电极电位差;组织不均匀,各部分耐蚀性能有差异;加上焊接剩余应力的影响以及载荷下焊接接头形状引起的应力集中的影响,使得焊接接头成为化工设备上易发生腐蚀的薄弱部位。
焊接接头比母材更简单腐蚀的现象在碳钢和不锈钢中都是存在的,只不过发生在不锈钢焊接接头上的腐蚀现象更明显,后果也更严重。3.2.1焊缝及热影响区的电极电位
焊缝区是一对接触电池。由于不同的金属材料接触在一起,又放在腐蚀介质中,这样一部分电极电位低的材料为阳极,产生腐蚀溶解,另一部分电极电位较高的材料为阴极,在腐蚀介质中被保护。
焊缝区域电位分布的基本形式
曲线a-母材与焊缝区域在电化学性质上完全一致,排除了由于各部分电位不同引起的电化学腐蚀;
曲线b-焊缝金属的电位比母材高,于是焊缝旁边的母材被猛烈腐蚀;曲线c-母材电位比焊缝金属的电位高,形成了大阴极(母材)与小阳极(焊缝金属)的腐蚀电池。焊缝金属因形成选择性溶解而被迅速地腐蚀掉,
曲线d-两种不同材料焊在一起,焊缝金属的电位在两种不同母材电位之间。
曲线e-电位较低的阳极区,距离焊缝熔合线有一定的距离,相当于未加稳定化元素的奥氏体不锈钢或加稳定化元素而未经稳定化处理的奥氏体不锈钢在热影响区中析出碳化铬所造成的状况。
曲线f-电位较低的阳极区在熔合线上,则相当于因焊接造成稳定型奥氏体不锈钢碳化钛(碳化铌)等溶解或铁素体类不锈钢敏化处理所带来的结果。3.2.2焊接接头的腐蚀类型
焊接接头的腐蚀类型有好多种,譬如:均匀腐蚀、焊缝局部腐蚀、母材局部腐蚀、热影响区晶间腐蚀、焊缝晶间腐蚀、刀状腐蚀等。
本次事故
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