工业碱管线失效分析及防范措施研究

童小锋

（山东石大胜华化工集团股份有限公司，山东东营，257061）

碱脆是金属材料的应力腐蚀的一种形式，具体为沿晶间产生裂纹。碱脆主要发生在锅炉水因软化处理带来碱性并在锅炉缝隙里浓缩造成的锅炉破裂，也发生在接触苛性碱的低合金钢、碳钢等设备之上。下面主要以我厂厂区溶剂油罐区到各生产装置的碱液线和废碱液线碱脆破裂事故为例，对碳素钢碱脆的机理及预防措施加以分析和讨论。

1 工业碱管线失效腐蚀机理及发生条件

1.1 工业碱管失效腐蚀机理

碱脆是金属氢脆的一种特殊形式。氢的来源有两种。一种指材料在冶炼及随后的酸洗、焊接等机械制造过程中所吸收的氢；另一种是指材料在致氢环境的使用过程中所吸收的氢。碳钢在液氨、硝酸盐、液碱等介质中容易发生应力腐蚀破裂。碱脆主要是碳钢在高温下与水蒸气产生如下的化学反应：

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

在这个反应中，NaOH起着催化作用，其过程是：

3Fe+7NaOH→Na3FeO·3 2Na2FeO2+7H+

Na3FeO·3 2Na2FeO2+4H2O→Fe3O4+7NaOH+H+

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

反应中生成的Fe3O4覆盖在钢的表面上，形成了一层保护膜。但也可能会由于过高的局部拉伸应力使局部区域的保护膜遭到严重的破坏，另外也可能由于NaOH在表面的富集使得Fe3O4被溶解，使金属得表面形成腐蚀裂纹NaOH富集在裂纹中，会形成电化学腐蚀。裂纹的尖端区域成为阳极。

1.2 工业碱管失效腐蚀发生条件

钢的碱脆，一般要同时具备三个条件：（1）较高的温度；（2）较高浓度的NaOH溶液；（3）拉伸应力。拉伸应力不但可以是外载荷所引起的应力，也可以是那些残余的应力，或者是两者的联合作用。相对于拉伸应力的大小，碱脆的另一个更重要的影响因素是应力的是否均匀， 局部的拉伸应力是最容易引起碱脆的。

2 工业碱管线碱脆破裂原因分析

2.1 材料因素

实验证明，碱液介质管道的金属中碳含量在0.01%～0.25%范围之内易产生碱脆。现场的注碱管线中多采用20g钢，其中碳含量在0.12%～0.22%之间，其所采用的J427焊条的熔敷金属的碳含量也在0.12%左右，都处在碱脆范围之内，这是管线发生碱脆的重要条件。该管线采用氩弧焊打底加焊条电弧焊盖面的焊接方法，其中焊缝金属的含碳量处于碱脆发生的危险区，热影响区的母材碳含量处于碱脆的发生区间，所以支管母材热影响区发生断裂的材料原因就明确了。

2.2 环境因素

据分析可以得出，碳钢发生碱脆的敏感性与NaOH管线溶液的浓度有着直接关系。该装置中NaOH注碱管线的设计温度是40℃，但是该系统的主管道为蒸汽管线，其操作温度221℃，在主管与支管的管台连接处温度可以达到115℃，这为NaOH管线发生碱脆失效创造了环境条件。管线中NaOH 溶液的浓度仅是5%，但是设计影响因素的分析中忽略了系统主管道是蒸汽管线的条件，使得NaOH管线发生碱脆失效就在所难免了。

2.3 应力因素

在实际应用中，车间的碱线太长，外壁的温度高，在拉应力和热应力的作用下，管线容易产生疲劳，特别是焊缝，所以应力的产生加剧了应力腐蚀开裂的产生。通过分析可以看出，车间所使用的碱线，不论是从应力作用、自身材质，还是使用环境，都具有产生应力腐蚀开裂的条件。在三者共同的作用下，加剧了碱线焊缝处的应力腐蚀开裂的产生。在日常使用中，管线温度的变化会引起碱线的伸缩变化，进而焊缝处的Fe30保护膜受到破坏，然后钝化并形成氧化膜，再破坏再形成，形成了阳极溶解型的应力腐蚀开裂。在补焊漏点时，温度可达到上千度，NaOH残液被气化，应力腐蚀开裂在瞬间形成，因此漏点是不能直接焊住的。

3 工业碱管线失效预防措施

3.1 控制浓度

碱溶液的浓度是使管道产生碱脆的重要因素。所以，在生产工艺允许的情况下应该尽量降低碱液的浓度。

3.2 消除应力集中

管线安装组对应力和焊接残余应力是引起碱脆的重要原因，因此对于碱液管线，在焊接后要采取焊后热处理工艺，一般热处理的温度要控制在630℃左右来消除焊接残余应力。在管道配管安装的过程中，特别是支管连接管安装的过程中，要严禁强行进行组对。

3.3 选用耐应力腐蚀的材料

根据碱脆发生的条件可以得出，在相同的环境条件下，碳钢管线发生碱脆的几率比不锈钢管线要高很多。所以，在选择碱脆易发的管线时，要尽量选择不锈钢材料来代替碳钢材料。

3.4 提高焊缝质量

焊接缺陷的危害除了会引起机械强度的泄漏和下降之外，还有以下两个方面的问题。夹渣、气孔、根部、咬边未熔透等缺陷会产生应力集中，并使缝隙腐蚀的可能性增大，加速应力腐蚀破裂的进程。焊接时要严格按焊接规程施焊，避免全位置的焊接，要尽量转动管子让焊工在最佳位置焊接。

3.5 对焊缝进行热处理

焊缝通过退火热处理在碱液中的碳钢母材，可以有效改善应力腐蚀开裂的敏感性。

4 结语

碱脆造成的工业碱管线失效是经常发生的设备事故，虽然我们对此有所认识，但还很不够。工业碱管线失效的影响因素众多，因此采取的措施也不尽相同，今后要进一步研究探索，使工业碱管线失效造成的危害能够避免。