液化石油氣儲罐應力腐蝕分析與防護

摘要：液化石油氣儲罐在有硫化氫的潮濕條件下，容易發生腐蝕，使儲罐的脆性增加，在應力條件下使得硫化物腐蝕開裂。應力腐蝕斷裂有突發性，危害較大，磁粉檢測在預防應力腐蝕起到重要的作用。本文簡要介紹液化石油氣儲罐磁粉檢測、應力腐蝕的基本原理及儲罐的受力分析，進而歸納儲罐預防應力腐蝕的相關措施。

關鍵詞：液化石油氣儲罐；應力腐蝕；磁粉檢測；

隨著石油化工的發展，液化石油氣作為基本原料和燃料，在工農商等領域都有著廣泛的應用。液化石油氣的組成是丙烷和丁烷，也會伴有少量的丙烯和丁烯，由于操作條件和生產工藝的不同，成分略有差異。

本文主要從應力腐蝕條件對儲罐開裂影響的分析，討論了液化石油氣儲罐的應力腐蝕原因、磁粉檢測原理及如何預防硫化氫腐蝕以及對儲罐的設備管理。

1 液化石油氣儲罐應力腐蝕分析

1.1 應力腐蝕簡述

液化石油氣儲罐的液相硫化氫含大于10mg/kg 時，在濕硫化氫環境下，儲罐容易發生腐蝕，硫化氫與鋼材反應形成具有高滲透性的氫離子，滲透到鋼材中后，可形成氫鼓包、氫致開裂等缺陷，并增加鋼材的脆性，在應力下會造成硫化物應力腐蝕開裂[1][2]。

1.2 應力腐蝕特征

液化石油氣儲罐發生應力腐蝕開裂是在力學因素、環境因素和冶金因素共同作用下的結果。在濕硫化氫環境下，應力腐蝕易發于冶金應力集中部位缺陷處，而且應力腐蝕具有在拉應力作用下，擴展到穿透的特點。

2 電化學腐蝕分析

硫化氫在水溶液中電離：

H2S → H++ HS- → 2H+ + S2-

電化學腐蝕反應：

陽極： Fe + HS- → FeS↓ + H+ + 2e-

陰極： 2H+ + 2e- → 2[H] → H2↑

會看出H2S先電離出氫離子，氫離子體積小，儲罐存儲液化石油氣，常溫下就會向儲罐內表層滲透并擴散，然后與Fe發生反應，逐漸滲透到儲罐內表層，形成催化層。熔合區的塑性和致密性都相對較差，這些位置將逐漸形成催化層，在應力或載荷的作用下會形成應變開裂[4][9]。根據經驗，利用磁粉探傷手段發現應力腐蝕形成裂紋與以上理論相符。

3 應力腐蝕檢測

3.1 磁粉檢測的原理

鐵材料工件被磁化后，由于不連續性存在，使工件表層和近表層的磁力線發生局部畸變形成漏磁場，吸附施加在工件表層磁場，在一定的光照下形成看見的磁痕，從而展現出不連續性的大小、位置、形狀和嚴重程度。

3.2 檢測方法的選擇

檢測鐵磁性材料表層微小裂紋，熒光磁粉檢測是一種有效方法。其具有很高的檢測準確性、靈敏度、可靠性和結果直觀性，是常用且經濟的無損檢測方法。

通過熒光磁粉檢測液化石油氣儲罐在濕硫化氫環境下形成的應力腐蝕，然后以金相檢驗方法校準，磁粉主要檢測儲罐的內表層，包括搭接接頭、焊接接頭、變形部位、幾何不連續等應力集中部位。如發現儲罐內表層某個部位發生了應力腐蝕，則相應的外表層也要進行檢測[2]。

4 儲罐應力分析

對于受內壓的薄壁容器只需考慮軸向應力和環向應力，容器壁上任意一點處于二向應力狀態，假設應力沿截面均勻分布，采用“材料力學”中的截面法，截取液化石油氣儲罐。

對于薄壁殼體，近似將內直徑視作殼體中面直徑，即2r。根據平衡因素，其軸向外力πr2P 與軸向內力2πrhσφ相等。即：

πr2P = 2πrhσφ 得：σφ= rP / 2h

取薄壁容器的封頭半圓形部分，如圖2所示。

根據平衡因素，半圓環上其 y 方向外力為2∫π/20 prcosθdθ，與作用在x 截面上y 方向內力2hσθ 相等，即：

2∫π/20 prcosθdθ= 2hσθ 得：σφ= rP / 2h

根據如上計算看出，環向應力σθ 是軸向應力σφ的2 倍[5]。這樣就會了解儲罐的受力情況，應力集中的部分的檢測需更加仔細，維護要需更加認真。

5 預防應力腐蝕的措施

選材不當或制造、安裝不規范，使不少液化石油氣儲罐焊縫處及附近形成裂紋，會導致液化氣泄漏，并有火災、爆炸等隱患。根據儲罐應力腐蝕因素和腐蝕機理分析，提出液化石油氣儲罐應力腐蝕完整性管理的預防措施有：

（1）合理選材：硫化氫應力腐蝕破裂與材料的剛度、強度、成分和金相組織有密切關系。應力腐蝕的破裂敏感性與材料強度成正比，隨著材料強度的提高，材料的屈服極限與破裂臨界應力比值越大。實驗證明，材料HB ≤ 235，采用Mn 含量在1.65% 以下普通碳素鋼及低合金鋼制壓力容器。在設備設計時，有害元素Ni、Mn、S、P 等一定要限量，而某些防止硫化氫應力腐蝕的有利元素，如Cr、Mo、V 等，應適量加入材料[7]。

（2）嚴格控制硫化氫的含量，硫化氫的量應小于10-6[6]，還應在儲罐的表層做防腐層處理，來防止氫離子滲入材料造成硫化氫應力腐蝕。在焊接消除應力的熱處理后，不容易發生硫化氫應力腐蝕。

（3）加強維護和檢查

儲罐的排殘裝置、工藝管道、排污系統需定期保養，清除殘液和硫化氫水溶液，排除發生析氫的因素。

按規定做好在線檢查和年度檢查，重點是有硫化氫應力腐蝕傾向設備的檢查，及時掌握腐蝕情況，一旦發現氫鼓包、裂紋要及時處理，保證安全運行。

（4）發展在線檢測技術

儲罐進行在線檢測是為了發現損傷，并確定腐蝕狀況，對存在的活性缺陷和泄漏源進行檢測定位，并結合超聲波測厚手段，最終對儲罐的結構完整性做出合理評估，為制定檢維修方案提供依據，從而減少檢測的盲目性，節約資金，創造更大的經濟效益[8] [10]。

參考文獻：

[1] 李泳泉，富陽，李智梁，等.液化石油氣儲罐硫化物應力腐蝕檢測[J].油氣儲運，2010，2（29）：141-142.

[2] 王勇，李崇剛.液化石油氣儲罐氫鼓包分析[J].石油化工設備，2009，4（38）：95-96.

[3]李文艷，潘俊智，郭淑嫻.液化石油氣儲罐裂紋成因分析[J].特種設備，2008，4 ：27

作者簡介：

高威，男，漢族，碩士研究生，研究方向：化學（有機化學）