一效蒸发器泄漏失效原因分析暨改造
方案
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一、情况
说明
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环氧树脂事业部烧碱车间在用的一效蒸发器由我公司于二0一
一年承制,因受现场安装环境限制,我公司在公司内分二段预制完毕,于二0一二年五月在现场组焊后交付用户使用,用户于二0一二年
五月正式投入使用。二0一三年三月用户发现下部锥体出现泄漏,根据现场条件,我公司当即更换了因存在裂纹而出现泄漏的下部锥体折边段;二0一三年七月用户又发现中部筒体(现场组焊环缝附近)出现泄漏,经用户、湖南省特检院和我公司检查,发现现场组焊环缝下热影响区母材、下部锥体(支座垫板与锥体角焊缝反面及锥体拼接环缝)内
表
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面多处出现裂纹,我公司对出现裂纹部位采取了更换现场组焊环缝处筒节和在下部锥体出现裂纹处贴板等方式进行了紧急处置,该设备已于二0一三年八月再投入使用。
二、原因分析
1、设备使用工况
该设备为环氧树脂事业部烧碱车间碱蒸发系统中的一效蒸发器,其工作介质为碱溶液(NaCl含量为15%,NaOH含量为17%),正常工作压力0.3MPa,
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
压力为0.35MPa,正常工作温度为80~143℃,设计温度为150℃,设备主体材质为S31603(022Cr17Ni12Mo2),壳体厚度为:筒体12mm;锥形封头14mm。碱蒸发系统所担负的任务是通过蒸汽加热将电解食盐水所产生的电解液浓缩成成品NaOH溶液,并将电解液中所含的大量NaCl结晶析出后回收。其烧碱的蒸发过程
主要由三台蒸发器完成,分别为一效、二效、三效蒸发器。原料碱液的流向依次为一效蒸发器→二效蒸发器→三效蒸发器;加热蒸汽的流向刚好与之相同,为一效蒸发器→二效蒸发器→三效蒸发器。在三台蒸发器中,一效蒸发器的工况条件最为恶劣,不仅工作温度最高,而且碱液(NaOH)的浓度和固体结晶物(NaCl)含量也是最高,因此,一效蒸发器的腐蚀损坏最为严重。国内氯碱装置中一效蒸发器均有不能长周期运行现象。
2、设备腐蚀失效情况
设备壳体内表面多处出现裂纹,裂纹自内向外延伸,导致设备发生泄漏,裂纹主要集中发生在以下部位:
a、设备壳体中上部现场组对环缝的热影响区出现多条平行于设备轴线的裂纹;
b、设备下部锥体折边段母材表面出现大面积网状裂纹;
c、设备下部锥体上支座垫板与锥体连接角焊缝反面(内表面)出现大面积网状裂纹;
d、设备下部锥体拼接纵、环缝热影响区附近出现多条平行于设备轴线的裂纹。
2、失效原因分析
一效蒸发器的工况十分恶劣,既有工作介质的均匀化学腐蚀和碱液蒸发造成的气蚀,又有碱液循环流动的冲刷,还有设备支承等附件产生的局部附加应力及因装置为非连续作业而产生的交变应力的作用,并且还有在设备制造过程中不可避免的加工残余应力,因此,导
致一效蒸发器壳体出现裂纹引起泄漏失效破坏的因素应是综合和多方面的。
根据相关资料介绍和我们对国内氯碱工业生产的了解, NaOH和NaCl均是腐蚀性较强的物料,无论采用碳钢还是不锈钢,都会产生比较严重的腐蚀,尤其在温度高于70℃以上时,温度越高,腐蚀性越强。一效蒸发器内工作介质主要为NaOH和NaCl,而且工作温度在140℃左右,相比二效蒸发器和三效蒸发器,一效蒸发器内NaCl和NaOH含量及工作温度均要高,因此一效蒸发器较二、三效蒸发器更易发生腐蚀泄漏失效。
上述的出现设备泄漏的部位主要集中在接触介质溶液的设备壳体中上部现场组对环缝的热影响区和设备下部锥体折边段、支座垫板与锥体连接角焊缝反面及锥体拼接纵环缝附近。这些部位都是附加应力和残余应力较大的部位:现场组对时由于运输、吊装及施工条件的影响,对接的部位形状和尺寸会有一些差异,肯定会产生因组对而产生的残余应力;下部锥体折边段和小端成形时因变形大,反复碾压而使材料产生过度变形,材料冷作硬化晶粒发生畸变、材料力学性能下降,并存在较大的加工残余应力,况且因下部锥体上有带补强圈的大开孔和多处开孔,设备支座也焊在锥体上,设备锥体与支座连接部位受力复杂,承受较大的局部附加应力。这些局部的应力往往是壳体在设备内工作压力作用下承受的薄膜应力数倍以上,在这些高应力的作用下,不锈钢金属表面的钝化膜发生局部破裂,微小破口暴露的金属成为电池的阳极,周围广大面积的膜成为阴极,阳极电流高度集中,
使腐蚀迅速向内发展,形成蚀孔或裂缝源,裂缝形成后,外部为腐蚀产物阻塞,内外的对流和扩散受到阻滞,缝隙内形成独特的闭塞区,也即闭塞电池,闭塞区的氧迅速耗尽,只剩下金属腐蚀的阳极反应,阴极反应氧离子化完全移到闭塞区外侧进行,因此孔内很快积累了带正电的金属离子,为了保持电中性,带负电的Cl-从缝隙外迁移入孔内,Cl-增浓;金属离子水解产生H+,使PH值下降,H+和Cl-形成腐蚀强烈的盐酸,当闭塞区PH值下降到某一临界值,发生加速腐蚀,产生了阴极放H+反应,由此在裂缝尖端产生氢引起局部脆化,在拉应力的作用下发生脆性破裂,然后裂纹尖端又进入酸性溶液,裂缝在腐蚀和脆裂的反复作用下迅速发展,最终导致破裂。
腐蚀和拉应力是结构产生应力腐蚀的两个必要条件,缺一不可。在一效蒸发器中,既存在由于介质腐蚀性强对壳体产生的较强的腐蚀,尤其是一效蒸发器介质中NaCl含量高,Cl-浓度大;壳体上也存在因设备内工作压力而引起的均匀拉应力、因温度变化和不连续操作及停开车而引起的交变应力、支承及接管等附件对壳体产生的附加应力,且在设备制造过程中因组装、成形和焊接等产生的不可避免的加工残余应力,所以在附加应力和残余应力较大的部位出现应力腐蚀开裂而导致泄漏失效。可以肯定应力腐蚀是该设备出现泄漏失效的主要原因。
另外应该说明的是,金属材料均有一个疲劳极限,在腐蚀环境中,疲劳极限大大下降,因而在较低的应力和较短的周期内就会发生疲劳破裂。一效蒸发器使用中因工艺原因大约每三天进行一次开停车,也
就是说每隔70小时,蒸发器的温度就会发生一次由140℃→常温的变化,压力发生一次由0.3MPa→常压的变化,由此因温度、压力周期性变化就会产生一个周期性的应力变化,这种应力的周期性变化,除了会使设备应力腐蚀外,还会造成疲劳失效,尤其在如此苛刻的工艺环境中,这种腐蚀疲劳的效果会更加明显。此外,由于蒸发器内碱液的流动,蒸汽的冲击,以及蒸发室内碱液的剧烈沸腾,使得整个蒸发器存在着较大的振动,这种振动在微观上表现的振幅较小,但频次较高,也会加剧蒸发器的腐蚀疲劳。
三、预防失效的建议和办法
1、严格控制工艺指标
在一效蒸发器的工作环境中,同时存在着多种导致其失效的因素,并且其影响程度也不同。大致归纳为:氯酸盐腐蚀、NaOH腐蚀、应力腐蚀、冲刷磨蚀、缝隙腐蚀及孔腐蚀、腐蚀疲劳等。各种不利因素的交互作用,加剧了一效蒸发器的腐蚀破坏。氯离子应力腐蚀是造成一效蒸发器腐蚀的主要因素。碱液的浓度和温度对腐蚀的速率有很大影响,因此要严格按设计指标控制NaOH的浓度;碱液的温度越高,结晶盐的含量越大,对一效的腐蚀和冲刷就越严重,腐蚀速率越快,因此实际生产中要严格控制操作温度,禁止超温操作。
2、一效蒸发器改造
为了保证该装置正常安全运行,建议对现在用的一效蒸发器按本公司编制的“蒸发器锥体更换施工方案”更换下部锥体。
3、为了保证该设备长稳安全运行,建议环氧树脂事业部组织相关人
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