梁維典
(廣西華銀鋁業(yè)有限公司,廣西百色 533700)
蒸發(fā)鹽沉降槽為鋼制大型槽罐,作為存貯強(qiáng)制效蒸發(fā)器再蒸發(fā)濃縮的高溫強(qiáng)堿用。投產(chǎn)約2年后陸續(xù)發(fā)生槽體多處焊縫開裂泄漏,逐步發(fā)展成槽體鋼板母材開裂泄漏。嚴(yán)重影響槽體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,存在很大安全隱患。槽體焊縫、母材裂紋特征與鋼材應(yīng)力腐蝕效應(yīng)吻合,初步判斷為槽體長(zhǎng)期與高溫強(qiáng)堿溶液接觸發(fā)生的堿脆現(xiàn)象。
氧化鋁生產(chǎn)工藝使用大量槽罐、容器存貯堿性溶液,并非所有槽罐都發(fā)生堿脆現(xiàn)象。鋼材堿脆須具備3個(gè)條件。
(1)材料要素。應(yīng)力腐蝕破裂只在對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的合金材料上發(fā)生。含碳量在0.01%~0.25%的碳鋼容易產(chǎn)生堿脆,含碳量大于或小于此范圍堿脆均難以發(fā)生。
(2)應(yīng)力要素。材料中的應(yīng)力主要包括熱應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力。其中,焊接殘余應(yīng)力是指焊接時(shí)由于溫度分布不均、組織變化、熔池凝縮而形成的,在焊接結(jié)束和完全冷卻后仍然繼續(xù)存在的應(yīng)力特定的介質(zhì)環(huán)境。工作應(yīng)力是指堿液輸送過程中由于內(nèi)部壓力作用而在管壁產(chǎn)生的應(yīng)力。
(3)環(huán)境要素。碳鋼及低合金鋼焊制化工容器如焊后或冷加工后,不進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理,則在氫氧化鈉溶液中的使用溫度不得大于圖1和表1所列的溫度。
圖1 碳鋼在氫氧化鈉溶液中使用溫度
(1)鹽沉降槽儲(chǔ)存的主要介質(zhì)為碳酸鈉+氫氧化鈉,氫氧化鈉含量約為319 g/L,濃度 24%,最高工作溫度105℃。
(2)鹽沉降槽材料。普通碳鋼板Q235A、筒體尺寸 Φ15 m×4 m,底部為錐形體,鋼板厚度10 mm。
(3)自 2007年 12月投入使用,運(yùn)行2 a后開始出現(xiàn)液體從槽體焊縫處泄漏(圖 2),運(yùn)行 3 a后開始出現(xiàn)液體從槽體母材處泄漏。
表1 碳鋼在氫氧化鈉溶液中使用溫度上限
圖2 槽體焊縫
(1)材料因素。鹽沉降槽的材料為碳鋼Q235,主要成分:C含量 0.14%~0.22%,Si含量 0.12%~0.30%,Mn含量 0.30%~0.65%,P含量≤0.045%,S含量≤0.05%。該成分的碳鋼處在堿脆的范圍之內(nèi),有可能發(fā)生堿脆現(xiàn)象。
(2)環(huán)境因素。鹽沉降槽的氫氧化鈉濃度約為24%左右,服役溫度為(100~103)℃。由圖1和表1可知,碳鋼在24%氫氧化鈉濃度溶液中安全服役溫度為65℃,目前鹽沉降槽的服役溫度遠(yuǎn)高于其安全溫度,因此有可能發(fā)生堿脆現(xiàn)象。
(3)應(yīng)力因素。鹽沉降槽承受的應(yīng)力主要為焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及沉降槽中槽液對(duì)于槽壁的壓應(yīng)力。在焊縫處及附近熱影響區(qū),同時(shí)受到殘余應(yīng)力和槽中液體壓應(yīng)力作用,高于母材受到的應(yīng)力,因此更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕(堿脆)現(xiàn)象。
綜上所述,鹽沉降槽具備堿脆發(fā)生的材料、堿液濃度、溫度以及應(yīng)力等幾個(gè)要素條件,且裂紋部位、裂紋現(xiàn)狀與鋼材堿脆效應(yīng)高度吻合,可認(rèn)定槽體發(fā)生大面積泄漏的原因?yàn)閴A脆。
從引起堿脆的原因來看,防腐和消除殘余應(yīng)力是防治堿脆的主要途徑,常采用的主要措施為用非金屬或者耐腐蝕金屬作內(nèi)襯或涂層。目前耐堿腐蝕的內(nèi)襯較成熟的工藝主要有3種,即玻璃鋼、橡膠和不銹鋼。根據(jù)幾種材料在堿性工況下的溫度上限,如環(huán)氧樹脂100℃,天然橡膠80℃,合成橡膠80℃,SUS304不銹鋼120℃,可知環(huán)氧樹脂、天然橡膠、合成橡膠因耐熱度原因,不適用作為內(nèi)襯。采用不銹鋼制作鹽沉降槽的內(nèi)襯可滿足鹽沉降槽溫度要求(圖3)。另據(jù)了解,某新型材料(廠家型號(hào)1391T)因優(yōu)異的物理、化學(xué)特性(表2和表3,數(shù)據(jù)摘自美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM),近年來在石化行業(yè)強(qiáng)腐蝕工況,作為耐腐蝕涂層應(yīng)用良好??紤]使用不銹鋼材料成本以及工期因素,最后方案定為新建槽體,內(nèi)壁焊縫做1391T耐腐蝕涂層。目前新槽體建成投用3 a,未發(fā)現(xiàn)堿脆泄漏現(xiàn)象。
在同等預(yù)期壽命情況下,制作SUS304不銹鋼內(nèi)襯花費(fèi)40萬元人民幣,工期30 d,選用1391T材料涂層費(fèi)用10萬元人民幣,工期3 d。
圖3 SUS304不銹鋼在不同溫度下的耐NaOH趨勢(shì)
表2 1391T材料耐堿化學(xué)性能表
表3 1391T材料100℃物理性能表
氧化鋁生產(chǎn)工藝要求大量高溫、高濃度苛性堿溶液輸送和貯存,每年因堿脆發(fā)生的管道、槽罐泄漏、損壞數(shù)量驚人,因此增加的維修費(fèi)用亦不菲。堿脆已成為氧化鋁生產(chǎn)最常見設(shè)備故障之一,鹽沉降槽堿脆預(yù)防措施是近期預(yù)防、處理堿脆現(xiàn)象的新工藝,長(zhǎng)期效果尚有待驗(yàn)證。