淺論液氨儲罐壓力容器設計的常見問題

液氨儲罐壓力容器設計

儲罐里面的液氨是經過加壓或降溫轉化而成的液化氣，它的操作壓力就是大氣溫度下的飽和蒸氣壓。操作溫度和操作壓力隨氣候變化而波動。根椐《固定式壓力容器安全技術監察規程》規定，無保溫或保冷措施的液氨常溫儲罐，設計溫度取50℃，設計壓力取液氨在50℃時的飽和蒸氣壓力。多年來對液氨儲罐的設計回訪發現，這類儲罐很少發生強度破壞，大多數是由腐蝕裂紋引起的腐蝕破壞。根據多年實踐，材料強度越高，發生應力腐蝕的可能性越大，在綜合考慮操作壓力、殘余應力以及安全性和經濟性的情況下，應盡可能選用強度較低的鋼材，如Q235—B雖然強度低，但其材料本身的雜質含量及特性、應力大小等因素都不適合液氨這種介質，故一般常選用Q245R、Q345R材料，且為正火板，主要是為了防止氨應力腐蝕。對導致應力腐蝕的液氨儲罐，其所用鋼板還應逐張進行超聲波檢測，符合JB/T4730.3—2005《承壓設備無損檢測》第3部分：超聲檢測中的II級為合格。GB150—1998《鋼制壓力容器》規定，有應力腐蝕的容器應進行消除應力熱處理。應力腐蝕裂紋是指腐蝕介質和拉伸應力共同作用而發生的延遲破壞現象。

液氨儲罐在卷制、焊接、接管開孔等制作過程中產生的殘余應力與工作應力疊加，成為應力腐蝕的力學條件，根椐HG20581—1998《鋼制化工容器材料選用規定》可知液氨應力腐蝕環境為同時具備下列兩項條件：①介質為液態氨，含水量不高（≤0.2%）且有可能受空氣（O2或CO2）污染的場合；②使用溫度高于—5℃。空氣中的O2、CO2都會促進液氨對罐壁材料的腐蝕。不論是氣相或液相中，氨、O2與碳鋼或低合金鋼組成了應力腐蝕環境，產生應力腐蝕。在含O2的液氨中，鋼表面吸附O2形成氧膜，這時腐蝕電位保持在正值，當材料受拉力產生應變后，膜被破壞，暴露出來的新鮮表面與有氧膜的金屬表面組成微電池，產生快速溶解。而空氣中的CO2則會導致全面腐蝕，其腐蝕機理為：

通過對各類液氨儲罐的開罐檢查發現，儲罐內表面焊縫區的腐蝕裂紋比較嚴重，且多數出現在環焊縫上，裂紋斷口沒有塑性變形，呈現出典型的脆性裂紋特征。裂紋多數為淺而長的表面裂紋，且有明顯的分支，主干裂紋與焊縫方向垂直，尤其在手工電弧焊的引弧處和收弧處、T型接頭處及封頭環縫與筒體縱焊縫交叉部位，裂紋更嚴重。磁粉檢測發現，焊縫裂紋呈樹枝狀，主干裂紋多呈線性，分支較短，端部較尖銳，根部稍寬。應力腐蝕裂紋是造成液氨儲罐破壞的主要原因，而焊后熱處理是防止應力腐蝕裂紋的好辦法。

液氨儲罐壓力容器安全技術措施

液氨儲罐應裝設安全閥、壓力表、溫度計等安全附件，且安全附件的選用及安裝應符合《固定式壓力容器安全技術監察規程》。采用合理的結構和焊接工藝。結構上應避免焊縫過多、過于集中，焊縫不對稱、焊縫交叉和焊接順序不合理等造成的應力集中。制造時應避免強力組焊，防止咬邊、錯邊等缺陷，保證與介質接觸的表面盡量光滑。對投入使用前的新儲罐，應徹底清除里面的空氣；在充裝排料及檢修等過程中，采取一定的措施避免帶進任何空氣。對大型儲罐應連續冷凝氨蒸氣，而不凝氣體大部分是空氣，應將其排出。對較小的設備用抽氣或蒸騰除去儲罐里面的空氣。總之，消除儲罐里的空氣污染，可以有效地防止應力腐蝕。

新投用的儲罐，應按規定進行內外部檢驗并進行周期性的定期檢驗。對液、氣相界面、引收弧處及T型接頭等易腐蝕部位應重點檢驗；對液面以下所有焊縫應進行100%磁粉或超聲波檢測，若條件允許，應對所有焊縫進行100%磁粉檢測。對檢驗出的裂紋應進行評估。因應力腐蝕界限斷裂韌度大約只有材料常規斷裂韌度的1/5，所以應根椐斷裂力學判據對裂紋進行安全等級評估，并給出處理意見及下次檢驗時間。對于不超過1/4壁厚和深度小于4mm的淺裂紋，先進行打磨處理后再進行補焊。補焊前應先預熱加溫以防止焊接硬化，焊接時宜采用低氫焊條，焊后進行探傷復查，并進行去應力處理。定期檢測液氨濃度和含水率，發現水分低于臨界濃度時應及時補充水分，使含水率始終保持在≥0.2%的范圍，不符合液氨應力腐蝕環境，可有效地抑制液氨引起的應力腐蝕。

結論

在拉應力狀態下，碳鋼在被空氣污染的液氨環境中很容易發生應力腐蝕破壞，所以液氨儲罐應嚴格避免被空氣污染。液氨儲罐焊制完畢應進行消除應力熱處理，以防止應力腐蝕裂紋產生導致儲罐破裂。須控制液氨儲罐充裝量，以避免環境升溫使儲罐爆裂，充裝系數應在圖樣上注明。

（作者單位： 天津海豐化纖織物有限公司）