郭大偉

（中國(guó)昆侖工程有限公司遼陽(yáng)分公司，遼寧遼陽(yáng) 111003）

化工原材料腐蝕是設(shè)備腐蝕的重要原因之一，其通常作用于與介質(zhì)接觸的所有區(qū)域，反應(yīng)物在設(shè)備內(nèi)部空間長(zhǎng)時(shí)間存留后，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，設(shè)備壁厚逐漸減小，隨著時(shí)間的推移會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、發(fā)生泄漏，造成安全隱患。奧氏體不銹鋼S32168 因其良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。但是，S32168 不銹鋼在含有氯離子環(huán)境中常會(huì)表現(xiàn)出較高的腐蝕敏感性[1]。本文通過(guò)對(duì)設(shè)備材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的研究、提出合理化改進(jìn)建議、優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除腐蝕隱患。

1 鄰硝基苯胺分相釜結(jié)構(gòu)及使用條件

某廠2015 年安裝一臺(tái)鄰硝基苯胺分相釜（結(jié)構(gòu)形式見圖1，設(shè)備技術(shù)特性見表1）。盛裝介質(zhì)鄰硝基苯胺熔點(diǎn)為69.7 ℃，相對(duì)水的密度1.442，當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)以上時(shí)為黃色油狀液體，鄰硝基苯胺生產(chǎn)中有氯化銨產(chǎn)生溶解在水中，在生產(chǎn)工藝中需要將鄰硝基苯胺與含氯化銨水溶液進(jìn)行分離提純，分離設(shè)備即為分相釜。經(jīng)過(guò)4 年的使用，于2019 年6 月發(fā)現(xiàn)設(shè)備外壁和內(nèi)盤管均有腐蝕穿孔現(xiàn)象（見圖2、圖3）。

圖1 分相釜結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structure of geometry

圖2 設(shè)備腐蝕Fig.2 Equipment corrosion

圖3 內(nèi)加熱盤管腐蝕Fig.3 Corrosion of internal heating coil

表1 設(shè)備技術(shù)特性Table 1 Technical characteristics of equipment

2 材質(zhì)腐蝕分析和改進(jìn)

通過(guò)觀察設(shè)備腐蝕問(wèn)題為局部點(diǎn)蝕，屬于材質(zhì)選擇不當(dāng)，需重新進(jìn)行選材。另外內(nèi)盤管加熱形式使氯離子在盤管周圍濃縮是導(dǎo)致內(nèi)盤管腐蝕較外壁腐蝕更嚴(yán)重的直接原因，更換內(nèi)盤管加熱形式也是本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方向。以下是對(duì)原有設(shè)備材質(zhì)的精確分析和新材料的試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 S32168材質(zhì)成分分析

選取該設(shè)備部分材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析，見表 2。

從表2 中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)中不含氯元素而設(shè)備腐蝕部分含有氯元素，碳含量也超過(guò)了基材，且鉻含量達(dá)34.93%，遠(yuǎn)高于基材，說(shuō)明在腐蝕部位有Cr23C6 析出，引起Cr 元素在晶界及其附近的貧化，介質(zhì)中的Cl-在貧鉻的晶界上富集而發(fā)生點(diǎn)蝕。衡量耐氯離子腐蝕（主要耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕）可以用下面公式表征：

表2 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical composition （mass fraction） %

PRE[2]（耐點(diǎn)蝕當(dāng)量）= Cr + 3.3Mo + 16N

S32168 的PRE 值為18.65%，一般說(shuō)來(lái)PRE 值小于32 不適合較高氯離子濃度環(huán)境下使用，故原設(shè)備選材不合理，在新設(shè)備選材時(shí)應(yīng)選用PRE 大于32的材質(zhì)。

2.2 掛片實(shí)驗(yàn)

S22053 為雙相不銹鋼，具有在室溫下固溶體中奧氏體和鐵素體約各占半數(shù)，具有兩相組織特性，它保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小、耐點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕及氯化物應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)，還具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉(zhuǎn)變溫度較低、抗晶間腐蝕力學(xué)性能的特點(diǎn)，同時(shí)焊接性能表現(xiàn)良好。S22053 材質(zhì)的PRE 值通過(guò)表3 元素含量以及上述耐點(diǎn)蝕當(dāng)量公式求得在34.14 ～ 42.7 范圍，因此決定新設(shè)備材質(zhì)選用S22053材質(zhì)，并進(jìn)行了為期半年的掛片試驗(yàn)。

表3 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Chemical composition （mass fraction） %

此過(guò)程制作了S22053 和S32168 兩個(gè)掛片，掛片規(guī)格為100 mm×50 mm×2 mm，質(zhì)量分別為WS22053= 78 g，WS32168= 80 g，放在了另外一臺(tái)同樣設(shè)備中，六個(gè)月后取出觀察（如圖4），從掛片表面看S22053 腐蝕的坑數(shù)比S32168 的少且淺，清洗稱重得：WS22053= 77.99 g，WS32168= 79.91 g。

圖4 掛片腐蝕試驗(yàn)Fig.4 Corrosion test for hanging plates

根據(jù)腐蝕率[5]（mpy） = 1.437×ΔW/ （ρ×T×A），

可見，S32168 的腐蝕速率約為S22053 的9 倍。

3 掛片電鏡分析

通過(guò)掃描電鏡觀察兩個(gè)掛片的腐蝕部位（如圖5， a 為S22053 掛片，b 為S32168 掛片），從微觀圖上看出S22053 腐蝕情況比S32168 好很多，后者點(diǎn)蝕深度較深，前者也有一些點(diǎn)蝕現(xiàn)象，但相對(duì)來(lái)說(shuō)也是能夠接受的。故新設(shè)備選擇S22053 材質(zhì)是可行的。

4 點(diǎn)蝕原因分析

通常在熱水和高溫水中只需百萬(wàn)分之幾的氯離子就可導(dǎo)致奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)蝕，氯化物濃度與點(diǎn)蝕時(shí)間（如圖6）。本設(shè)備應(yīng)用環(huán)境氯離子含量高達(dá)5%，完全具備產(chǎn)生點(diǎn)蝕的條件。

圖6 氯離子對(duì)奧氏體不銹鋼的腐蝕傾向圖Fig.6 Corrosion tendency of chloride ions to austenitic stainless steels

氯化物的水溶液中，隨著溫度升高產(chǎn)生腐蝕作用越強(qiáng)。50 ～ 300 ℃是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)腐蝕的危險(xiǎn)溫度區(qū)域。本臺(tái)設(shè)備工作溫度為80 ～ 120 ℃，盤管加熱蒸汽使用0.4 MPa（G）飽和蒸汽，盤管近區(qū)溫度通常在140 ℃，由圖7 可看出，140 ～ 150 ℃附近速率接近最高，可見盤管腐蝕速度要比設(shè)備外壁腐蝕更嚴(yán) 重。

圖7 溫度對(duì)點(diǎn)蝕速率的影響Fig.7 Effect of temperature on pitting corrosion rate

5 設(shè)備改進(jìn)方案

5.1 設(shè)備選材和結(jié)構(gòu)改進(jìn)

介質(zhì)中鄰硝基苯胺基本無(wú)腐蝕性，腐蝕性最大的是5%氯化銨水溶液，盤管加熱區(qū)溫度達(dá)到100 ℃以上，氯離子在盤管附近濃縮，高溫高濃度氯離子同時(shí)作用導(dǎo)致盤管腐蝕更嚴(yán)重。為從設(shè)計(jì)上避免和減少腐蝕，設(shè)計(jì)時(shí)決定通過(guò)傳熱計(jì)算得出所需熱量，將內(nèi)盤管加熱形式由內(nèi)盤管式改為外夾套加熱形式（如圖8），通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算和腐蝕裕度的考慮，將新設(shè)備將原壁厚8 mm 增加至10 mm，設(shè)備主要材質(zhì)選用S22053。

圖8 新設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure drawing of new equipment

5.2 設(shè)備制作焊接時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)

焊接質(zhì)量直接影響新設(shè)備的使用效果。S22053不銹鋼具有良好的焊接性，焊接冷裂紋和熱裂紋的敏感性都較小。通常焊前不預(yù)熱，焊后無(wú)需熱處理，由于較高的氮含量，熱影響區(qū)的單相鐵素體化傾向較小，當(dāng)焊接材料選擇合理，焊接能量控制適當(dāng)時(shí)，才能表現(xiàn)出優(yōu)異的焊接性能。為了達(dá)到這一目的，焊接過(guò)程中應(yīng)當(dāng)遵守以下幾項(xiàng)原則：

（1） 焊接方法和材料的選擇要得當(dāng)，如手工電弧焊、鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊等，都可用于雙相不銹鋼的焊接。焊接材料要選用比母材含鎳量高的雙相不銹鋼焊材，確保焊縫中奧氏體相占優(yōu)勢(shì)，焊縫鐵素體含量控制在35% ～ 65%為宜。

（2） 選擇焊接線能量控制在0.5 ～ 2.5 kJ/cm 范圍，采用直流焊機(jī)，焊接電流范圍280 ～ 320 A，焊接電壓26 ～ 30 V。

（3） 焊接熔池及背面的氣體保護(hù)焊時(shí)，保護(hù)氣體中加氮可以提髙焊縫的耐蝕性。保護(hù)氣的純度應(yīng)滿足工藝要求，應(yīng)釆取有效的背面保護(hù)工裝，開始焊接時(shí)要對(duì)焊縫背面的氧含量進(jìn)行檢測(cè)，滿足工藝要求后才能開始焊接。

（4） 定位焊縫在定位焊接時(shí)，如果長(zhǎng)度過(guò)短，焊接未建立起平衡，過(guò)程即結(jié)束，焊縫冷卻會(huì)很快，可能導(dǎo)致鐵素體含量過(guò)高，使低韌性并因氮化物析出而降低耐腐蝕性能。因此，如采用定位焊，對(duì)定位焊縫的最短長(zhǎng)度應(yīng)進(jìn)行規(guī)定，且應(yīng)采用較大熱輸入規(guī)范參 數(shù)。

（5）焊接過(guò)程材料的保護(hù)，材料表面弧擊和起弧是一個(gè)瞬間高溫過(guò)程，冷卻速度很快，表面顯微組織中鐵素體含量很高，這種組織對(duì)裂紋和腐蝕很敏感，應(yīng)盡力避免，如果產(chǎn)生，必須用細(xì)砂輪打磨去除?，F(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中材料的保護(hù)非常重要，應(yīng)避免碳鋼、銅、低熔點(diǎn)金屬或其他雜質(zhì)對(duì)不銹鋼的污染，不銹鋼和材料應(yīng)分開存放和焊接。焊接和切割過(guò)程中應(yīng)采取措施防止飛濺、弧擊、碳、局部過(guò)熱等。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)研究S32168 材質(zhì)應(yīng)用在鄰硝基苯胺分相釜中是不合適的，經(jīng)過(guò)論證和試驗(yàn)選用S22053 材質(zhì)是可行的。S22053 材質(zhì)焊接質(zhì)量在新設(shè)備防腐蝕中至關(guān)重要，制定詳細(xì)的焊接工藝方案并嚴(yán)格執(zhí)行亦是保證焊接質(zhì)量、防止設(shè)備腐蝕的關(guān)鍵。