蒸發鹽沉降槽泄漏原因分析及預防措施

梁維典

（廣西華銀鋁業有限公司，廣西百色 533700）

0 引言

蒸發鹽沉降槽為鋼制大型槽罐，作為存貯強制效蒸發器再蒸發濃縮的高溫強堿用。投產約2年后陸續發生槽體多處焊縫開裂泄漏，逐步發展成槽體鋼板母材開裂泄漏。嚴重影響槽體結構強度，存在很大安全隱患。槽體焊縫、母材裂紋特征與鋼材應力腐蝕效應吻合，初步判斷為槽體長期與高溫強堿溶液接觸發生的堿脆現象。

1 鹽沉降槽應力腐蝕的原因

氧化鋁生產工藝使用大量槽罐、容器存貯堿性溶液，并非所有槽罐都發生堿脆現象。鋼材堿脆須具備3個條件。

（1）材料要素。應力腐蝕破裂只在對應力腐蝕敏感的合金材料上發生。含碳量在0.01%～0.25%的碳鋼容易產生堿脆,含碳量大于或小于此范圍堿脆均難以發生。

（2）應力要素。材料中的應力主要包括熱應力、焊接殘余應力和工作應力。其中，焊接殘余應力是指焊接時由于溫度分布不均、組織變化、熔池凝縮而形成的，在焊接結束和完全冷卻后仍然繼續存在的應力特定的介質環境。工作應力是指堿液輸送過程中由于內部壓力作用而在管壁產生的應力。

（3）環境要素。碳鋼及低合金鋼焊制化工容器如焊后或冷加工后，不進行消除應力熱處理，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

2 鹽沉降槽服役背景

（1）鹽沉降槽儲存的主要介質為碳酸鈉+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，運行2 a后開始出現液體從槽體焊縫處泄漏（圖 2），運行 3 a后開始出現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

3 鹽沉降槽發生堿脆的原因

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，有可能發生堿脆現象。

（2）環境因素。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高于其安全溫度，因此有可能發生堿脆現象。

（3）應力因素。鹽沉降槽承受的應力主要為焊接過程中產生的殘余應力以及沉降槽中槽液對于槽壁的壓應力。在焊縫處及附近熱影響區，同時受到殘余應力和槽中液體壓應力作用，高于母材受到的應力，因此更容易發生應力腐蝕（堿脆）現象。

綜上所述，鹽沉降槽具備堿脆發生的材料、堿液濃度、溫度以及應力等幾個要素條件，且裂紋部位、裂紋現狀與鋼材堿脆效應高度吻合，可認定槽體發生大面積泄漏的原因為堿脆。

4 鹽沉降槽堿脆應對措施

從引起堿脆的原因來看,防腐和消除殘余應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襯或涂層。目前耐堿腐蝕的內襯較成熟的工藝主要有3種，即玻璃鋼、橡膠和不銹鋼。根據幾種材料在堿性工況下的溫度上限，如環氧樹脂100℃，天然橡膠80℃，合成橡膠80℃，SUS304不銹鋼120℃，可知環氧樹脂、天然橡膠、合成橡膠因耐熱度原因，不適用作為內襯。采用不銹鋼制作鹽沉降槽的內襯可滿足鹽沉降槽溫度要求（圖3）。另據了解，某新型材料（廠家型號1391T）因優異的物理、化學特性（表2和表3，數據摘自美國材料與試驗協會ASTM），近年來在石化行業強腐蝕工況，作為耐腐蝕涂層應用良好。考慮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，內壁焊縫做1391T耐腐蝕涂層。目前新槽體建成投用3 a，未發現堿脆泄漏現象。

在同等預期壽命情況下，制作SUS304不銹鋼內襯花費40萬元人民幣，工期30 d，選用1391T材料涂層費用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

表2 1391T材料耐堿化學性能表

表3 1391T材料100℃物理性能表

5 結語

氧化鋁生產工藝要求大量高溫、高濃度苛性堿溶液輸送和貯存，每年因堿脆發生的管道、槽罐泄漏、損壞數量驚人，因此增加的維修費用亦不菲。堿脆已成為氧化鋁生產最常見設備故障之一，鹽沉降槽堿脆預防措施是近期預防、處理堿脆現象的新工藝，長期效果尚有待驗證。