氨管道在工程设计中预防应力腐蚀的研究

于 士 淋

（道恩集团烟台化工设计院，山东 龙口 265700）

氨管道在工程设计中预防应力腐蚀的研究

于 士 淋

（道恩集团烟台化工设计院，山东 龙口 265700）

为减少和杜绝氨应力腐蚀导致的生产事故，从设计方面提出氨应力腐蚀的一些预防措施和方法，以及应力腐蚀的概念和机理。文中还涉及作者在从事合成氨或氨储运的工艺设计过程中一些管道方面的经验积累和心得汇总。按规范设计是保证安全生产的前提。

液氨； 应力腐蚀； 腐蚀环境； 防腐措施

所谓应力腐蚀，一般是指在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏。这种腐蚀一般均穿过晶粒，即所谓穿晶腐蚀。应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂［1］。

从概念和机理上我们可以看出，发生应力腐蚀必须有两个条件同时具备，即应力和腐蚀环境。可能引起金属应力腐蚀破裂的介质（对于碳钢、低合金钢材料）有NaOH溶液、硝酸盐、酸性H2S水溶液（或含 CN-）、海水、液氨、碳酸盐等；（对于铬镍不锈钢材料）有高温碱液（NaOH、KOH、LiOH）、氯化物水溶液、聚连多硫酸、高温高压含氧的高纯水等［2］。本文所涉及的材料和介质环境主要是碳钢和液氨以及不锈钢和液氨。

1 液氨设计过程要全面考虑的环节

液氨管道、容器及其他相关设备从设计、制造到使用的各个环节,如果方法不得当, 都会对应力腐蚀埋下隐患。故预防腐蚀应从设计、制造到使用过程的整个质量保证体系的各个环节都采取可靠的措施。主要包括以下几个方面。

1.1 材料选择

为了防止应力腐蚀, 在综合考虑操作压力、残余应力以及安全性和经济性的情况下, 应尽可能选用强度较低的钢材。

1.2 采用合理的结构和焊接工艺

正确的焊后热处理可以大大降低制造过程中的残余应力, 并可以降低焊接热影响区的峰值硬度。

1.3 消除储罐里面的空气污染

对投入使用前的新储罐, 应彻底清除里面的空气；在充装、排料及检修等过程中, 采取一定的措施避免带进任何空气，用抽气或蒸腾除去储罐里面的空气。总之, 消除储罐里面的空气污染, 可以有效地防止应力腐蚀。

1.4 定期检验和焊缝应力处理

新投用的储罐, 应按规定进行内外部检验并进行周期性的定期检验。补焊前应先预热加温以防止焊接硬化, 焊接时宜采用低氢焊条, 焊后进行探伤复查, 并进行去应力处理。

1.5 缓冲剂

液氨中添加≥0.2%的水作缓冲剂，也可作为防止应力腐蚀裂纹的辅助措施。另外, 还可加入其它抑制剂，也可有效地抑制液氨引起的应力腐蚀。

2 氨管道设计中应力腐蚀的预防措施

2.1 设计参数的确定、材料选择和焊接工艺

在设计过的工程中，甲方按自己的生产经验和经济投资，一般要求液氨管道的材料选用20#碳钢。在充分了解甲方提供的生产工艺的流程和相关技术参数后，对于最高工作压力（表压）不超过2.0 MPa（包括管道与设备直接连接作为一个压力系统时的设备的设计压力不超过2.0 MPa）［3］，工作温度范围在大于-20 ℃小于 50 ℃的氨管道，根据相关压力管道规范和工业金属管道设计规范规定，可以选用GB/T8163-2008《输送流体用无缝钢管》中的材料为 20#的热轧无缝钢管［4］。按《山东省液氨储存与装卸安全生产技术规范（试行）》和 40b223-1999《石油化工管道及其元件设计选用》中的要求，液氨管道及管件的公称压力大于等于 2.5 MPa，可以选用2.5 MPa公称压力，壁厚选用Sch40系列。阀门选用2.5 MPa不锈钢氨截止阀。法兰选用与管道同材质的 2.5 MPa带颈平焊凹凸面钢制管法兰（HG20592～20635-2009）。管道焊接时，先用氩弧焊进行底部焊道焊接（打底）,再用手工电弧焊按碳素钢及合金钢焊接工艺规程进行焊接。对于最大操作压力在2.4 MPa的液氨管道，其设计压力可选2.6 MPa，管道及管件、法兰、阀门等选用公称压力为4.0 MPa。若氨管道埋地或甲方要求，可选用321不锈钢材质的无缝钢管，要注意不锈钢管道的安装防护措施和焊接焊条的选配。另外不锈钢管道外壁是不需要涂防锈漆的。

2.2 焊缝焊后热处理

由于液氨和空气接触,能对其所在金属管道发生应力腐蚀，对有应力腐蚀的氨管道焊缝，进行焊后热处理。焊后热处理的加热范围，每侧不应小于焊缝宽度的3倍，加热带以外部分应进行保温。焊后热处理过程中，焊件内外壁温度应均匀。焊后热处理,应测量和记录其温度。焊后热处理的加热速率、处理温度下的恒温时间及冷却速率应符合下列规定［5］：

(1) 当温度升至 400 ℃以上时，加热速率不应大于205(25/T)℃/h，且不得大于330 ℃/h。（T为热处理部位的最大厚度）

(2) 焊后热处理的恒温时间为每25 mm壁厚恒温1 h，且不得少于15 min，在恒温时间最高和最低温差应低于65 ℃。

(3) 恒温后的冷却速率不应大于 260(25/T)℃/h，且不得大于260 ℃/h。400 ℃以下可自然冷却。

(4) 热处理后进行返修或硬度检查超过规定要求的焊缝应重新进行热处理。

2.3 焊缝焊后热处理还应符合下列规定［6］

(1) 焊缝焊后热处理应在焊缝外观检查及规定的无损检验合格后进行。

(2) 对进行局部加热热处理的焊缝，应检查和记录热处理温度及加热区域宽度，热处理参数及加热区域宽度应符合工程设计说明的规定。

(3) 进行局部加热处理的焊缝，应通过硬度测量检查热处理效果。

(4) 焊缝的强度试验及严密度试验应在在射线照相检验或超声波检验以及焊缝热处理后进行。焊缝的强度试验及严密度试验按工程设计说明的规定。

2.4 氨管道检验

(1) 非GC类压力管道的无损检查，检查等级不低于Ⅳ级，即射线照相/超声波检查的对接焊缝按5%抽查，其质量不低于GB4730标准中的Ⅲ级［8］。

(2) GC2级的氨压力管道的检查等级不低于Ⅳ级，检查等级标准见《压力管道规范》GB/T20801.1-2006［9］。

(3) 氨管道除常规的管道试压、吹扫、静电接地外，据 GB50072-2001《冷库设计规范》规定，氨管道还应进行如下试验：

(a) 气密性试验：高压侧应进行1.8 MPa（表压）。中压侧应进行 1.2 MPa（表压）的气密性试验。应采用干燥空气或氮气进行，并应按现行国家标准《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范》GB50274有关规定执行；

(b) 抽真空试验：当系统内剩余压力小于 5.333 kPa（40 mmHg）时，保持24 h，系统内压力无变化为合格；

(c) 充氨试验：充氨试验压力为0.2 MPa（表压），系统应无泄漏。

2.5 添加缓冲剂或抵制剂

定期检测液氨浓度和含水率,发现水分低于临界浓度应及时补充水分,使含水率始终保持在 0.2%～1%的范围。另外,还可加入其它抑制剂,如加入冷冻机油或菜籽油或硅油作为应力腐蚀抑制剂,都可有效地抑制液氨引起的应力腐蚀。

3 结束语

氨生产在我国已经不算是新兴行业了，但由氨泄漏或爆炸引起的事故灾害也时有发生。在化工行业越来越兴旺的时代，化工安全也越来越受到国家和人民的重视，这也要求我们这些工艺设计者们，严格按规范设计，同时作为化工从业者，更要按安全规程生产。只有安全才是保障。

［1］ 束德林．工程材料力学性能(第六章，第一节)[M].第2版．合肥：机械工业出版社，2003.

［2］ 汪镇安 等．化工工艺设计手册(下册)[M].第2版．北京：化学工业出版社，1996：3-421．

［3］ 压力管道规范—工业管道GB/T20801.1-2006(第3部分),中华人民共和国国家标准[S].2006．

［4］ 工业金属管道设计规范GB50316-2000(2008年版) ,中华人民共和国国家标准[S].2000：104.

［5］ 现场设备工业管道焊接工程施工及验收规范GB50236-98,中华人民共和国国家标准[S].1998：49．

［6］ 现场设备工业管道焊接工程施工及验收规范GB50236-98,中华人民共和国国家标准[S]．1998：74．

［7］ 工业金属管道工程施工及验收规范GB50235-2007,中华人民共和国国家标准[S]．1997：36．

［8］ 压力管道规范—工业管道GB/T20801.1-2006(第5部分),中华人民共和国国家标准[S].2006：3．

Study on Preventing Stress Corrosion of Liquid Ammonia Piping in Project Design

YU Shi-lin
(Dawn Group Co.,Ltd.Yantai Chemical Design Institute，Shandong Longkou 265700，China）

In order to reduce and even stop the production accident caused by ammonia stress corrosion, prevention measures and methods for stress corrosion of liquid ammonia in design were introduced as well as concept and mechanism of stress corrosion. Some piping design experiences and knowledge about the craft design of ammonia synthesis and ammonia storage and transportation were summed up.

Liquid ammonia; Stess corrosion; Corrosion condition; Anti-corrosive measures

TQ 050.9

A

1671-0460（2011）09-0970-03

2011-06-09

于士淋（1982-），男，山东威海人，工艺工程师，2004年毕业于山东轻工业学院轻化工程专业，研究方向：从事石化医药工艺工程设计工作。E-mail：yushilin01@163.com，电话：05358831050。