压力管道的腐蚀与防腐.ppt
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1、压力管道的腐蚀与防腐,云南省石油化工锅炉压力容器检测中心站 李纯(电话13708732207),4.1 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和电化学作用以及机械等因素的共同作用而发生的破坏。 腐蚀造成管道失效带来经济损失,对于压力管道更主要的危害是腐蚀破坏可能导致物料泄漏,发生火灾、中毒、爆炸等安全事故,带来生命财产的重大损失。故必须采取科学有效的方法防止或减缓压力管道的腐蚀,以保证压力管道的安全使用。,2003年10月发表的中国腐蚀调查报告指出:我国腐蚀损失为5000亿元/年,(约占当年 5%GDP),其中 20% ( 1000亿元)是可以避免的。( 1000亿元)
2、 1975年抚顺石油三厂加氢车间压缩机入口管道爆炸,造成8人死亡4人重伤、直接经济损伤180多万。 1971年某天然气管道腐蚀断裂爆炸,直接经济损伤7000多万。,根据腐蚀介质的种类腐蚀过程可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属和介质由于化学作用而产生的,在腐蚀过程中没有电流产生,如钢在高温气体中的氧化。电化学腐蚀是金属和电解质溶液间由于电化学作用而产生的,在腐蚀过程中有电流产生。如金属在酸中的腐蚀,其原理简介如下:,杂质,鋅(阳极),H2SO4,H+1,Zn2+,图4.1,H2,2e-1,以锌在硫酸中的腐蚀为例,如图4.1锌置于H2SO4溶液中,在锌中某一部位含有杂质,杂质处的电位高,规
3、定为阴极。无杂质处锌的电位低,规定为阳极。电位差形成原电池。阳极锌发生氧化反应,生成锌离子和电子,酸液中的H离子和电子发生还原反应生成H2,这个过程由于阳极锌不断失去电子变为锌离子进入溶液,即锌被腐蚀溶解,而阴极杂质仅起着传递电子的作用,使H离子在阴极上接受电子变为氢气,不发生变化,即为发生腐蚀。,按照腐蚀面积的大小腐蚀可分为全面腐蚀和局部腐蚀。 按照腐蚀机理腐蚀可分为应力腐蚀、疲劳腐蚀、氢损伤等。 4.2压力管道腐蚀的主要形式和机理 4.2.1全面腐蚀:全面腐蚀又叫均匀腐蚀是指在管道较大面积上产生的程度基本相同的腐蚀。在管道内壁遭受输送物料的全面腐蚀,在管道外壁遭受环境大气的全面腐蚀。,全面
4、腐蚀导致管道壁厚逐渐减薄,最后破坏。可采取增大管道壁厚、进行防腐处以及定期检验测厚等方法防止事故发生 4.2.2局部腐蚀 1)点蚀 集中在金属表面个别点上的深度较大的腐蚀称为点蚀。一般点蚀尺寸较小,点蚀之间互相孤立,其孔直径等于或小于深度。点蚀的形态和取向结构见图4.2。,A B C D E F G 图4.2 A楔形. B椭圆形 . C盘碟形. D皮下囊形. E掏蚀形. F水平取向. G垂直取向.,点蚀产生机理 以氯离子腐蚀奥氏体不锈钢为例: (1)由于某些原因导致不锈钢表面钝化膜局部损伤,损伤处电位低(小阳极),未损伤处电位高(大阴极)产生局部电化学腐蚀,损伤处形成小坑。 (2)小坑内失去电
5、子,积累正电荷,这些正电荷吸引更多带负电荷的氯离子到坑内,加剧腐蚀,小坑向纵深发展。 (3)不断持续上述过程形成点蚀坑。,点蚀是最具有破坏性、隐蔽性的腐蚀形态之一。点蚀导致管道在失重较小时出现局部穿孔泄漏。 碳钢在温度80250的蒸汽系统和热水系统中遭受溶解氧腐蚀产生点蚀。 奥氏体不锈钢在输送含有氯离子、溴离子的介质时或者外壁与海水接触容易产生点蚀。敏化处理及冷加工会增加不锈钢的点蚀倾向;固溶处理能提高不锈钢的耐点蚀能力。,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、单面焊未焊透处常常会产生严重的腐蚀,这种由于预先存在的缝隙而引起的腐蚀称为缝隙腐蚀。 当缝隙
6、宽度为0.2mm或更小时,介质进入缝隙并会使这些介质处于滞留状态,这时容易产生缝隙腐蚀。,缝隙腐蚀的机理一般认为是浓度腐蚀电池的原理,即缝隙内和周围溶液之间氧浓度或金属离子浓度存在差异造成的。 某些钝性金属如不锈钢、铝、钛等容易产生缝隙腐蚀。,3)焊接接头的腐蚀 通常发生于不锈钢管道焊缝,有三种腐蚀形式: (1)焊肉腐蚀:为改善焊接性能,通常奥氏体不锈钢中含有310%的铁素体组织,在某些强腐蚀介质中会对这些铁素体产生选择性腐蚀,结果使焊肉被腐蚀成海绵状。 (2)热影响区腐蚀: 多为晶间腐蚀。,不锈钢因为含有超过12%的铬而具有较高的耐腐蚀性。奥氏体不锈钢中碳的溶解度随着温度的下降而减少。故奥氏
7、体不锈钢经高温固溶处理后碳处于过饱和状态,在敏化温度(450850)范围内受热时,过饱和固溶的碳就迅速地向晶界扩散,与晶界处铬化合成Cr23C6。由于奥氏体中铬的扩散速度比碳慢,产生Cr23C6 所需的铬必然从晶界附近获取.从而造成晶界附近的铬含量下降到12%以下。在某些腐蚀介质如高温有机酸中,晶界将产生严重腐蚀,形成晶间腐蚀。如图4.2。,奥氏体不锈钢焊接过程中,热影响区温度较容易处于敏化温度范围,故热影响区常出现晶间腐蚀。 3)刀口腐蚀:沿焊缝金属熔合线发生象刀切一样的腐蚀,称为刀状腐蚀。刀状腐蚀实质上是晶间腐蚀的一种特例。,晶界,铬的碳化物,晶粒,图4.2 不锈钢晶间腐蚀示意图,4).磨
8、损腐蚀:磨损腐蚀亦称为冲刷腐蚀当腐蚀性流体在弯头、三通等拐弯部位忽然改变方向,它对金属及金属表面的钝化膜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,从而造成比其它部位更为严重的腐蚀磨损。这种损伤是金属以其离子或腐蚀产物从金属表面脱落,而不是纯粹的机械磨损那样以固体金属粉末脱落。,不锈钢耐磨损腐蚀不如钛钢好。蒸汽、H2S-H20对碳钢管道、弯头、三通会产生较强的磨损腐蚀。 5).冷凝液腐蚀 对于含水蒸气的热腐蚀气体管道,在保温层终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,从而产生冷凝液腐蚀。 6).涂层破损处的局部大气腐蚀 化工厂酸性气体产生更为
9、严重的腐蚀。,4.2.3 应力腐蚀破裂 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。 应力腐蚀裂纹呈枯树枝状,如图4.3大体沿着垂直于拉应力的方向发展。裂纹的形态有穿晶型、沿晶型、混合型。 应力的来源主要焊接、冷加工、安装残余应力、流体介质压力等。特定的腐蚀介质如表4.1。,图4.3液氨球罐热影响区的应力腐蚀裂纹,表4.1容易引起应力腐蚀破裂的管道金属/腐蚀环境组合 碳钢与低合金钢: NaOH溶液;硝酸盐溶液;HCN(氢氰酸)溶液;H2S溶液;CO+CO2+H2O;煤气液、焦煤气液;含水液氨。 奥氏体不锈钢 NaOH溶液;含氯离子水溶液;H2S水溶液;高温水及水蒸
10、气;海水;连多硫酸;二氯乙烷。,常见的应力腐蚀破裂 1)碱脆 金属在碱液中的应力腐蚀破裂称为碱脆。碳钢、低合金钢、不锈钢等多种材料皆可发生碱脆。温度及碱液浓度同时作用产生碱脆。碳钢发生碱脆的趋向见图4.4,由图可知碳钢发生碱脆对应氢氧化钠浓度大于5%,温度大于摄氏50度,奥氏体不锈钢发生碱脆的趋向见图4.5由图可知其发生碱脆的浓度在0.1%以上,温度在115度以上。不同的碱浓度时产生碱脆破裂对应的温度不同。,碱液浓度%,温度,50 ,5%,图4.4 碳钢在碱液中的应力腐蚀破裂区示意图,应力破裂区,40%,100,碱液浓度%,温度,115 ,0.1%,图4.5 奥氏体不锈钢在碱液中的应力腐蚀破裂
11、区示意图,应力破裂区,40%,330 ,2.)不锈钢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。发生应力腐蚀破裂的临界氯离子浓度随温度的上升而减小,高温下氯离子浓度达到106kg/kg(ppm)即能引起破裂,发生氯离子破裂的临界温度为70。不锈钢氯离子应力腐蚀破裂不仅发生在内壁,在外壁如保温材料氯离子含量超标,也可能发生。,不锈钢氯离子应力腐蚀裂纹是典型的树枝状穿晶裂纹,并常常以孔蚀为起源。 国家标准GB50235-97规定对奥氏体不锈钢管道进行水压试验时,水中氯离子含量不得超过25ppm,3)硫化物腐蚀破裂 金属在含硫化氢及水的介质中发生的应力腐蚀破裂即为硫
12、化物腐蚀破裂,简称硫裂。发生硫裂所需的硫化氢浓度很低,一般只要略超过106就会发生。发生破裂所的时间一般随硫化氢浓度的增加而缩短。发生硫裂的临界应力随硫化氢浓度的增加而降低。 碳钢和低合金钢在2040温范围内对硫裂的敏感性最大,但奥氏体不锈钢的硫裂多发生高温环境。,钢的强度越高,越易发生硫裂。钢的硬度值越高,越容易发生硫裂,美国腐蚀工程师协会NACE标准规定含硫油气田用钢HRC22(约相当于HB230),作为碳钢和低合金钢在湿硫化氢环境中使用的标准。 在发生硫裂的事故中,焊缝特别是熔合线是最容易发生破裂的部位,这是因为熔合线硬度最高。NACE对碳钢焊缝硬度作了更严格规定:HB200。为防止硫裂
13、,焊后进行有效的热处理十分必要。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。,4).其它常见应力腐蚀破裂 (1)碳钢和低合金钢在液氨中的应力腐蚀破裂。纯净的液氨不会引起破裂,但当液氨中混入空气则会引起应力腐蚀破裂,液氨中含水量超过0.2%时,可抑制破裂的产生。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COCO2H20环境中的应力腐蚀破裂:在合成氨、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。 (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。 4.2.4腐蚀疲劳 交变应力
14、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。 疲劳性能通常用S-N曲线及疲劳极限来衡量如图4.5,疲劳腐蚀,空气,预浸,交变应力S,循环次数N,图4.5腐蚀介质对S-N曲线的影响,由图可知: 1).腐蚀介质作用下疲劳强度明显下降,空气中和腐蚀介质中的S-N曲线在应力高、低循环次数一侧比较靠近,而在低应力高循环次数时腐蚀疲劳寿命连续大幅度下降,且疲劳极限消失。 2).预先腐蚀然后再疲劳虽然强度下降,但其作用要比介质和应力同时作用弱得多并保持疲劳极限。,疲劳裂纹一般为穿晶,往往有很多条,但无分支。 压力管道疲劳源主要有:机械振动、流体工况、自然因素等。,4.2.5氢
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