加热炉盘管的应力腐蚀与防护

摘 要石油化工行业中,加热炉的使用十分常见,其使用过程中经常会出现腐蚀现象,分析应力腐蚀的原因,也根据生产实际提出一些解决办法。

关键词应力腐蚀;强度极限

中图分类号TE文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)101-0132-01

1加热炉产生腐蚀的原因分析

1.1热应力腐蚀

热应力,或称温差应力,是结构部件内因温度分布不均匀或温度变化时的自然膨胀或收缩受到约束所引起的应力。在锅炉和压力容器中,能引起热应力的主要有以下三种情况:

1)部件内部的温度虽是均匀分布,但其温度变化引起的热胀冷缩受到外部的约束。例如两个鞍式支座都是刚性固定的卧式容器,在器壁温度升高或降低时,整个筒体的轴向伸长或收缩,受到固定支座的限制而不能自由变形,因而在筒体的横截面上便产生轴向压缩应力或拉伸应力。

2)部件内部温度分布不均匀。例如厚壁容器,因没有隔热层而使内外壁存在较大的温度差。当内壁温度高于外壁时,内层材料的膨胀量即大于外层,因而受到外层的限制,结果即在内层产生压缩应力,外层产生拉伸应力。

3)两个部件组成的构件,因温度变化不同或材料线膨胀系数不同而致两相连的部件产生不同的膨胀量,结果相互牵制而产生热应力。例如两端管板固定的列管式换热器,由于壳体与列管的操作温度不同因而伸长量也不同。若列管的伸长量大于壳体,则相互限制的结果,将是壳体受拉伸而产生轴向拉伸应力;列管受压缩而引起轴向压缩应力。这些都是热应力。

在盘管弯曲处热应力达到最大值,所以在盘管弯曲的地方容易发生腐蚀。热炉在运行过程中出现了较多问题:炉子。

1.2蒸气腐蚀

蒸气腐蚀是锅炉在运行过程中,蒸气对高温钢构件所产生的氧化腐蚀。蒸气与高温的铁接触时,反应结果在钢件表面生成氧化膜(四氧化三铁),并放出氢原子。氧化膜在不太高的温度下可以阻止构件继续发生蒸气腐蚀。但对于碳钢,当温度超过500℃后,这种氧化膜即失去其保护作用,于是构件被继续腐蚀。而且蒸气腐蚀所产生的氢原子如不能及时被蒸气带走,就有可能渗高温的金属内,并引起氢脆。锅炉中可能产生蒸气腐蚀的部件主要有:壁温较高的蒸气过热器管、水冷壁中产生汽水分层且蒸气停滞的局部地区。防止锅炉过热器产生蒸气腐蚀的主要措施是选用铬钼合金钢。因为钢中的铬和钼能提高钢的热强性能,也可增强钢的热稳定性。

1.3连续应力腐蚀

不连续应力是两个形状或尺寸不同而相互连接的部件,在承载时产生不同的变形而相互受到限制因而引起的应力。例如圆筒形容器中的圆筒体与球形封头,在内压作用下,圆筒体直径的自由增量应比同样厚度的半球体直径的自由增量大一些,但两者又是焊接在一起而不能分离的,因此两元件的自由变形就相受到限制,结果在连接处附件就产生不连续应力。这种应力只发生在元件的边界地区,所以也称为边界应力。锅炉和压力容器的不连续应力主要产生在以下的一些部位:①圆筒体与各种型式封头的连接处;②壁厚不相同的两个圆筒体的连接处;③圆筒体上焊接法兰或装设加强圈处;④圆筒与管板连接处;⑤物理性能不同的材料制造的两个圆筒的连接处;⑥圆筒体或球体上的开孔接管处。

1.4疲劳破裂

承压壳体的疲劳破裂是指壳体经历过较多次数的反复应力作用以后,在不太高的名义应力下(远低于材料的抗拉强度)发生的破裂。严格来说,金属的“疲劳破坏”实际应是“反复应力破坏”,因为破坏的重要因素是应力的频繁反复作用,而不是作用时间的长短。金属构件的疲劳断裂一般分为机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳三大类。按疲劳断裂时载荷反复作用次数的多少,又有高度疲劳与低周疲劳之分。容器疲劳破裂的主要原因是:①不良的设计结构;②不正常的操作条件。包括频繁的开车和停车,操作压力的大幅度波动,温度的周期性变化以及容器及其接管的激烈振动等;③较严重的制造缺陷。主要是焊接缺陷,如焊缝咬边,未焊透等;④介质对器壁具有较强的腐蚀性。多数是因为操作条件发生变化而使介质的腐蚀性增强,使容器的疲劳强度降低。

2加热炉腐蚀的防护措施

2.1消除应力热处理

消除应力热处理就是把构件加热到能消除应力的温度范围内(碳钢为600~650℃),使材料具有良好的延性。在这种情况下,存在构件内的残余应力就会使材料产生塑性变形从而达到应力释放的目的。消除应力热处理不但可以有效地消除焊接时产生的高残余拉伸应力,改善构件因冷作而引起的硬化现象,还可以消灭或减小焊缝附近的局部脆化,使它的韧性和塑性提高到接近材料的水平。焊接压力容器是否需要进行消除应力的热处理,主要取决于它的残余应力大小以及工作介质是否具有应力腐蚀的特性。一般来说,焊件越厚,焊接残余应力就越大,所以器壁较厚的容器,应进行消除应力热处理。合金钢焊制的容器,因金属的可焊性稍差,也应在焊后进行热处理。泠成形的凸形封头或冷卷的厚圆筒,也应经过消除应力热处理。工作介质对容器材料能产生应力腐蚀时,残余应力的存在会大大加剧应力腐蚀的进程,因此这样的容器也必须进行热处理。

2.2改变工艺处理措施

在以往的加热炉一般都是采用大功率的加热方法,这样不仅浪费了能源,还浪费了已有的资源,改变加热炉盘管的形状是有效的方法之一。

现在加热炉所用的材质一般为奥氏体不绣钢,所以容易发生腐蚀。现在的加热炉因为节能等原因,温度一般都是比较低的,所以采用铝合金就能满足现在的温度,采用7xxx系列的就可以。因为铝合金导热性能好,又有好的延展性,消除了因温度,疲劳和不连续应力的腐蚀。现在的炉温一般在650℃,足可以满足要求,具有很好的防腐效果。

参考文献

[1]石油化工设备维护检修规程.中国石化出版社,2004.

[2]袁泽喜,张细菊,沈冬冬,吴建平,刘家海.管道连接头腐蚀失效分析.理化检验.物理分册,2002,04:36-38.

[3]陈家福.18-8钢制换热器U形管失效分析.抚顺石油学院学报,1994,04:33-39.

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