压力管道腐蚀与防护.ppt
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1、压力管道腐蚀与防护,沈阳化工学院 李志安,1 概述压力管道的腐蚀是由于受到内部输送物料及外部环境介质的化学或电化学作用(也包括机械等因素的共同作用)而发生的破坏。压力管道在使用中可能产生腐蚀、疲劳、蠕变、低温脆断、材质劣化等破坏形式,其中腐蚀破坏最具有普遍性。特别是化学工业,因其介质腐蚀性强,并常常伴有高温、高压、磨损等,最易发生管道破坏事故。压力管道除输送水、蒸汽、空气及惰性气体外,大多数输送的是化工物料及燃料,一旦因腐蚀破坏造成物料泄漏,由于污染环境而引起公害,并往往酿成火灾、中毒、爆炸等事故,给工业生产和人民生命带来重大损失。压力管道的腐蚀破坏形态,除全面腐蚀外,尚有局部腐蚀、应力腐蚀破
2、裂、腐蚀疲劳及氢损伤。其中危害最大的当属应力腐蚀破裂,往往在没有先兆的情况下突然发生,造成预测不到的破坏。防止压力管道腐蚀的方法是正确选材、设计以及良好的防护涂层,特殊情况下选用耐蚀非金属材料,埋地管线同时采用阴极保护。,2压力管道腐蚀的主要形式及机理腐蚀主要形式有:全面腐蚀,局部腐蚀,应力腐蚀,腐蚀疲劳,氢损伤等。21全面腐蚀 全面腐蚀也叫均匀腐蚀,这是在管道较大面积上产生的程度基本相同的腐蚀。管道内壁表面遭受输送物料的全面腐蚀;管道外壁裸露表面(或有涂料但已全面失效)遭受大气锈蚀。遭受全面腐蚀的管道,壁厚逐渐减薄,最后破坏。从工程的角度看,全面腐蚀并不是威胁很大的腐蚀形态,因为管道设计时可
3、考虑足够的腐蚀裕度。但应注意的是,在管道使用过程中,腐蚀速度往往因环境恶化(如超温、加进腐蚀性成份等)而加剧,因此定期检验是十分必要的,通过定点测厚,掌握壁厚减薄的情况。,22局部腐蚀1)点蚀集中在金属表面个别小点上的深度较大的腐蚀称为点蚀,也叫孔蚀。大多数情况下,蚀孔是比较小的。蚀孔之间有时互相孤立,有时十分靠近,密集在一起。蚀孔直径等于或小于深度,蚀孔形态如图。,2)缝隙腐蚀 当管道输送的物料为电解质溶液时,在管道内表面的缝隙处,如法兰垫片处、单面焊未焊透处等,均会产生缝隙腐蚀,见图43。,3)焊接接头的腐蚀通常发生于不锈钢管道,有三种腐蚀形式:(1)焊肉被腐蚀成海绵状,这是奥氏体不锈钢发
4、生的铁素体选择性腐蚀。(2)热影响区腐蚀。造成这种腐蚀的原因,是焊接过程中这里的温度正好处在敏化区,有充分的时间析出碳化物,从而产生了晶间腐蚀,见图45。,晶间腐蚀是腐蚀局限在晶界和晶界附近而晶粒本身腐蚀比较小的一种腐蚀形态,其结果将造成晶粒脱落或使材料机械强度降低。晶间腐蚀的机理是“贫铬理论”。不锈钢因含铬而有很高的耐蚀性,其铬含量必须要超过12,否则其耐蚀性能和普通碳钢差不多。不锈钢在敏化温度范围(450850),奥氏体中过饱和固溶的碳将和铬化合成Cr23C6,沿晶界沉淀析出。由于奥氏体中铬的扩散速度比碳慢,这样,生成Cr23C6所需的铬必然从晶界附近获取,从而造成晶界附近区域贫铬。如果铬
5、含量降到l2(钝化所需极限铬含量)以下,则贫铬区处于活化状态,作为阳极,它和晶粒之间构成腐蚀原电池,贫铬区是阳极面积小,晶粒是阴极面积大,从而造成晶界附近贫铬区的严重腐蚀。图46是188钢晶间腐蚀机理示意图。,(3)第三种形态是熔合线处的刀口腐蚀,一般发生在用Nb及Ti稳定的不锈钢(347及321)。刀口腐蚀示意图见图47。,4)磨损腐蚀 磨损腐蚀亦称冲刷腐蚀。当腐蚀性流体在弯头、三通等拐弯部位突然改变方向,它对金属及金属表面的钝化膜或腐蚀产物层产生机械冲刷破坏作用,同时又对不断露出的金属新鲜表面发生激烈的电化学腐蚀,从而造成比其他部位更为严重的腐蚀损伤。5)冷凝液腐蚀 对于含水蒸汽的热腐蚀性
6、气体管道,在保温层中止处或破损处之内壁,由于局部温度降至露点以下,将发生冷凝现象,从而造成冷凝液腐蚀,即露点腐蚀。6)涂层破损处的局部大气锈蚀 对于化工厂的碳钢管线,这种腐蚀有时会很严重,因为化工厂区的大气中常常含有酸性气体,比自然大气的腐蚀性强得多。,23应力腐蚀破裂(scc)金属材料在拉应力和特定腐蚀介质的共同作用下发生的断裂破坏,称为应力腐蚀破裂。发生应力腐蚀破裂的时间有长有短,有经过几天就开裂的,也有经过数年才开裂,这说明应力腐蚀破裂通常有一个或长或短的孕育期。应力腐蚀裂纹呈枯树枝状,大体上沿着垂直于拉应力的方向发展。裂纹的微观形态有穿晶型、晶间型(沿晶型)和二者兼有的混合型。,1)碱
7、脆 金属在碱液中的应力腐蚀破裂称碱脆。碳钢、低合金钢、不锈钢等多种金属材料皆可发生碱脆。2)不锈钢的氯离子应力腐蚀破裂 氯离子不但能引起不锈钢孔蚀,更能引起不锈钢的应力腐蚀破裂。不锈钢氯离子应力腐蚀裂纹是典型的枯树枝状穿晶型裂纹,并常常以孔蚀为起源,如图4.14所示,3)不锈钢连多硫酸应力腐蚀破裂 在石油炼制工业中,以加氢脱硫装置为典型,不锈钢连多硫酸(H2SXO6,X=35)的应力腐蚀破裂颇为引人注目。不锈钢在连多硫酸中产生的应力腐蚀裂纹一般是晶间型的,但也有穿晶与晶间共存的情况。图415是不锈钢管发生连多硫酸应力腐蚀破裂的两个事例。,4)硫化物腐蚀破裂(SSCC)金属在同时含硫化氢及水的介
8、质中发生的应力腐蚀破裂即为硫化物腐蚀破裂,简称硫裂。在天然气、石油采集,加工炼制,石油化学及化肥等工业部门常常发生管道、阀门硫裂事故。l 发生硫裂所需的时间短则几天,长则几个月到几年不等,但是未见超过十年发生硫裂的事例。硫裂的裂纹较粗,分支较少,多为穿晶型,也有晶间型或混合型。,5)其他常见的应力腐蚀破裂体系(1)碳钢和低合金在农用液氨中的应力腐蚀破裂 纯净的液氨不会引起破裂,当液氨中混入空气(02、N2、C02),如化肥工业中的农用液氨,则会引发应力腐蚀破裂,在液相部位和气相部位均会产生。对焊缝进行消除残余应力的热处理,是必要的防护措施。(2)碳钢在C0C02一H20环境中的应力腐蚀破裂 在
9、合成氨、制氢的脱碳系统、煤气系统、有机合成及石油气等工业中常发生这类损伤事故。(3)奥氏体不锈钢在高温水中的应力腐蚀破裂 在动力工业及核工业中,常发生这类损伤事故。溶解O2是促进因素,裂纹是晶间型,但:如含有cl,则裂纹将呈穿晶型。(4)碳钢在硝酸盐溶液中、煤气液中、焦炉气中都对应力腐蚀破裂敏感 如碳钢配管在焦炉气(以CH4和H2为主,内含C02、H2S、NH3、HCN、H20)中,35环境下,使用一年便发现裂纹,见图420。,24腐蚀疲劳 交变应力与化学介质共同作用下引起金属力学性能下降、开裂,甚至断裂的现象称为腐蚀疲劳。介质与应力的共同作用往往比它们单独作用或二者简单叠加更加有害。疲劳性能
10、通常是用sN曲线及疲劳极限来衡量。我们可以通过腐蚀介质对其影响来说明腐蚀疲劳破坏的规律。图421是腐蚀介质对SN曲线的影响示意图。由图可见:介质作用下疲劳强度的明显下降,空气和介质中的SN曲线在高应力低循环次数一侧比较靠近,二者差别减小。低应力时腐蚀疲劳寿命连续大幅度的下降,疲劳极限消失。预先腐蚀然后再疲劳,虽然也可使强度下降,但其作用要比介质和应力同时作用弱除多。因此前者并非真正意义上的腐蚀疲劳。前者保留疲劳极限,后者疲劳极限消失。,腐蚀疲劳裂纹的特征如下:腐蚀疲劳裂纹往往有很多条,但无分枝,这是与应力腐蚀裂敝的区别。裂纹一般是穿晶的。图422是蒸汽管道疲劳裂纹形貌。,压力管道的疲劳源有三个
11、方面:机械激振 压缩机、泵的机械振动,传递给与之联接的配管系统,而配管系统又受到支卡架的约束,位移不能迅速转移,就会在机、泵与配管的联接部位产生较大的振动应力。流体工况 压缩机喘振将会使整个管路系统产生流体自激振动现象。自然因素 主要指风载荷及地震等自然因素使管道承受变动应力。,25氢损伤 氢渗透进入金属内部而造成金属性能劣化称为氢损伤,也叫氢破坏。氢损伤可分为四种不同类型:氢鼓泡、氢脆、脱碳和氢腐蚀。1)氢鼓泡及氢诱发阶梯裂纹 主要发生在含湿硫化氢的介质中。2)氢脆 不论以什么方式进入钢内的氢,都将引起钢材脆化,即延伸率、断面收缩率显著下降,高强度钢尤其严重。若将钢材中的氢释放出来(如加热进
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