工業堿管線失效分析及防范措施研究

童小鋒

（山東石大勝華化工集團股份有限公司，山東東營，257061）

堿脆是金屬材料的應力腐蝕的一種形式，具體為沿晶間產生裂紋。堿脆主要發生在鍋爐水因軟化處理帶來堿性并在鍋爐縫隙里濃縮造成的鍋爐破裂，也發生在接觸苛性堿的低合金鋼、碳鋼等設備之上。下面主要以我廠廠區溶劑油罐區到各生產裝置的堿液線和廢堿液線堿脆破裂事故為例，對碳素鋼堿脆的機理及預防措施加以分析和討論。

1 工業堿管線失效腐蝕機理及發生條件

1.1 工業堿管失效腐蝕機理

堿脆是金屬氫脆的一種特殊形式。氫的來源有兩種。一種指材料在冶煉及隨后的酸洗、焊接等機械制造過程中所吸收的氫；另一種是指材料在致氫環境的使用過程中所吸收的氫。碳鋼在液氨、硝酸鹽、液堿等介質中容易發生應力腐蝕破裂。堿脆主要是碳鋼在高溫下與水蒸氣產生如下的化學反應：

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

在這個反應中，NaOH起著催化作用，其過程是：

3Fe+7NaOH→Na3FeO·3 2Na2FeO2+7H+

Na3FeO·3 2Na2FeO2+4H2O→Fe3O4+7NaOH+H+

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

反應中生成的Fe3O4覆蓋在鋼的表面上，形成了一層保護膜。但也可能會由于過高的局部拉伸應力使局部區域的保護膜遭到嚴重的破壞，另外也可能由于NaOH在表面的富集使得Fe3O4被溶解，使金屬得表面形成腐蝕裂紋NaOH富集在裂紋中，會形成電化學腐蝕。裂紋的尖端區域成為陽極。

1.2 工業堿管失效腐蝕發生條件

鋼的堿脆，一般要同時具備三個條件：（1）較高的溫度；（2）較高濃度的NaOH溶液；（3）拉伸應力。拉伸應力不但可以是外載荷所引起的應力，也可以是那些殘余的應力，或者是兩者的聯合作用。相對于拉伸應力的大小，堿脆的另一個更重要的影響因素是應力的是否均勻， 局部的拉伸應力是最容易引起堿脆的。

2 工業堿管線堿脆破裂原因分析

2.1 材料因素

實驗證明，堿液介質管道的金屬中碳含量在0.01%～0.25%范圍之內易產生堿脆。現場的注堿管線中多采用20g鋼，其中碳含量在0.12%～0.22%之間，其所采用的J427焊條的熔敷金屬的碳含量也在0.12%左右，都處在堿脆范圍之內，這是管線發生堿脆的重要條件。該管線采用氬弧焊打底加焊條電弧焊蓋面的焊接方法，其中焊縫金屬的含碳量處于堿脆發生的危險區，熱影響區的母材碳含量處于堿脆的發生區間，所以支管母材熱影響區發生斷裂的材料原因就明確了。

2.2 環境因素

據分析可以得出，碳鋼發生堿脆的敏感性與NaOH管線溶液的濃度有著直接關系。該裝置中NaOH注堿管線的設計溫度是40℃，但是該系統的主管道為蒸汽管線，其操作溫度221℃，在主管與支管的管臺連接處溫度可以達到115℃，這為NaOH管線發生堿脆失效創造了環境條件。管線中NaOH 溶液的濃度僅是5%，但是設計影響因素的分析中忽略了系統主管道是蒸汽管線的條件，使得NaOH管線發生堿脆失效就在所難免了。

2.3 應力因素

在實際應用中，車間的堿線太長，外壁的溫度高，在拉應力和熱應力的作用下，管線容易產生疲勞，特別是焊縫，所以應力的產生加劇了應力腐蝕開裂的產生。通過分析可以看出，車間所使用的堿線，不論是從應力作用、自身材質，還是使用環境，都具有產生應力腐蝕開裂的條件。在三者共同的作用下，加劇了堿線焊縫處的應力腐蝕開裂的產生。在日常使用中，管線溫度的變化會引起堿線的伸縮變化，進而焊縫處的Fe30保護膜受到破壞，然后鈍化并形成氧化膜，再破壞再形成，形成了陽極溶解型的應力腐蝕開裂。在補焊漏點時，溫度可達到上千度，NaOH殘液被氣化，應力腐蝕開裂在瞬間形成，因此漏點是不能直接焊住的。

3 工業堿管線失效預防措施

3.1 控制濃度

堿溶液的濃度是使管道產生堿脆的重要因素。所以，在生產工藝允許的情況下應該盡量降低堿液的濃度。

3.2 消除應力集中

管線安裝組對應力和焊接殘余應力是引起堿脆的重要原因，因此對于堿液管線，在焊接后要采取焊后熱處理工藝，一般熱處理的溫度要控制在630℃左右來消除焊接殘余應力。在管道配管安裝的過程中，特別是支管連接管安裝的過程中，要嚴禁強行進行組對。

3.3 選用耐應力腐蝕的材料

根據堿脆發生的條件可以得出，在相同的環境條件下，碳鋼管線發生堿脆的幾率比不銹鋼管線要高很多。所以，在選擇堿脆易發的管線時，要盡量選擇不銹鋼材料來代替碳鋼材料。

3.4 提高焊縫質量

焊接缺陷的危害除了會引起機械強度的泄漏和下降之外，還有以下兩個方面的問題。夾渣、氣孔、根部、咬邊未熔透等缺陷會產生應力集中，并使縫隙腐蝕的可能性增大，加速應力腐蝕破裂的進程。焊接時要嚴格按焊接規程施焊，避免全位置的焊接，要盡量轉動管子讓焊工在最佳位置焊接。

3.5 對焊縫進行熱處理

焊縫通過退火熱處理在堿液中的碳鋼母材，可以有效改善應力腐蝕開裂的敏感性。

4 結語

堿脆造成的工業堿管線失效是經常發生的設備事故，雖然我們對此有所認識，但還很不夠。工業堿管線失效的影響因素眾多，因此采取的措施也不盡相同，今后要進一步研究探索，使工業堿管線失效造成的危害能夠避免。