可調(diào)節(jié)壓力的防開裂鹽化工設(shè)備管道的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及鹽化工設(shè)備管道領(lǐng)域，具體涉及一種可調(diào)節(jié)壓力的防開裂鹽化工設(shè)備管道。
【背景技術(shù)】
[0002]設(shè)備腐蝕開裂是鹽化工企業(yè)生產(chǎn)中面臨的一個重大難題。之所以鹽化設(shè)備存在各種腐蝕開裂問題，歸根到底與其極端惡劣的工作環(huán)境有關(guān)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
[0003](I)氯離子濃度
[0004]鹵水中氯離子濃度極高，這是不銹鋼產(chǎn)生腐蝕的根源，不銹鋼構(gòu)件常見的環(huán)境失效方式如點蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞斷裂都與溶液中存在氯離子有關(guān)。
[0005]已有研宄表明，即使氯離子濃度較低的服役環(huán)境，對不銹鋼的腐蝕影響也是不容忽視的，所以，與鹵水直接接觸的不銹鋼構(gòu)件處于極端惡劣的工作環(huán)境中，氯離子的影響成為分析問題的關(guān)鍵。
[0006](2)工作溫度
[0007]蒸餾是鹵水制鹽的主要工藝手段，鹵水溫度各區(qū)段稍有不同，大約在90_120°C左右。處于高溫鹵水中的電解質(zhì)以及與之相接觸的不銹鋼中各種元素的活性都增強，促進不銹鋼的腐蝕。奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕斷裂多發(fā)生在50-300°C的范圍內(nèi)，一般來說，溫度越高，應(yīng)力腐蝕斷裂越容易發(fā)生。與鹵水接觸的不銹鋼正好處于這一敏感溫度范圍，所以，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。
[0008](3)鹵水壓力
[0009]鹵水壓力一般在0.5MPa左右，使泵閥、管道及蒸餾釜等相關(guān)構(gòu)件的材料承受相當(dāng)?shù)膽?yīng)力作用。很顯然，材料的開裂歸根到底是由應(yīng)力引起的，在沒有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，材料開裂的應(yīng)力極限高于腐蝕環(huán)境下的應(yīng)力極限。
[0010]目前，鹽化工企業(yè)遇到構(gòu)件開裂的問題，往往首先考慮材料問題，認(rèn)為材料抗點蝕、抗晶間腐蝕性能不足，造成所用不銹鋼等級越來越高，在實在解決不了問題的情況下，甚至使用鈦合金材料。即便如此，也不能有效阻止鹽化工構(gòu)件的早期開裂。由于沒有對癥下藥，這樣做并不能從根本上解決問題，反而增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。為此，除了在提高材料耐腐蝕性方面采取措施外，還應(yīng)該從減小應(yīng)力方面采取措施。
[0011]不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性，已被廣泛地應(yīng)用于各種腐蝕環(huán)境中，諸如化工、煉油、航空、造船及醫(yī)藥等行業(yè)。當(dāng)環(huán)境中的氧化性足夠強時，這種鋼的表面不僅能生成致密鈍化膜，而且鈍化膜一旦破損都能及時修復(fù)，使鈍化膜下的金屬不再繼續(xù)腐蝕，所以，不銹鋼耐大氣腐蝕的能力較好。但是，在一些特定的條件下，尤其是含有氯離子的環(huán)境中，所形成的鈍化膜并不穩(wěn)定，容易破裂，從而發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，如點蝕和縫隙腐蝕等。
[0012]大量研宄表明，一定溫度下，氯離子的濃度超過點蝕的臨界濃度時就會發(fā)生點蝕。TSUTSUMI等研宄了 304不銹鋼在25°C時點蝕的臨界濃度約為6 mol/L，鹵水中的氯離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此臨界濃度，因而，與鹵水接觸的不銹鋼將不可避免地產(chǎn)生點蝕。目前，尚無資料指明316系列不銹鋼點蝕的臨界濃度，但是，我們?nèi)匀豢梢源竽懙仡A(yù)計，鹵水的氯離子濃度也勢必超過其臨界濃度，所以，對于鹽化設(shè)備而言，用316系列取代304系列不銹鋼，仍然不能阻止點蝕的發(fā)生，因為，即使氯離子在幾十個ppm濃度范圍內(nèi)，在一定溫度下，經(jīng)過一段誘導(dǎo)期，316不銹鋼也能發(fā)生點蝕。
[0013]強吸附侵蝕性的氯離子會取代鈍化膜中的氧，一旦氯離子吸附在金屬表面，將削弱金屬離子-原子鍵，導(dǎo)致鈍化膜破裂。另外，吸附在金屬表面的氯離子會和金屬離子形成復(fù)合物溶解到電解液中，導(dǎo)致局部地方氧化膜的薄化，從而使膜內(nèi)更多的金屬離子向膜與電解液的界面迀移，增加了金屬溶解速度。
[0014]點蝕坑的底部發(fā)生金屬溶解反應(yīng)，由于坑附近區(qū)吸氧，坑內(nèi)陽離子濃度的增加導(dǎo)致氯離子向點蝕坑內(nèi)聚集。氯離子與金屬陽離子結(jié)合形成金屬氯化物，金屬氯化物水解生成酸使得坑內(nèi)具有較低的PH值，從而導(dǎo)致金屬發(fā)生自催化型溶解。自催化溶解的結(jié)果使點蝕坑不斷生長與擴展，形成橢球形凹坑。研宄表明，點蝕坑確實是裂紋萌生的可能位置，但點蝕與裂紋萌生并不存在一一對應(yīng)的關(guān)系，只有具有較大深度或深徑比的點蝕坑才能萌生裂紋。對于不銹鋼而言，點蝕造成的應(yīng)力集中達(dá)到一定值時，才會形成裂紋源。
[0015]一旦裂紋形成，裂紋的擴展隨即展開，直至工件破裂。因而，不銹鋼構(gòu)件的使用壽命實際上由兩個基本時段構(gòu)成，即裂紋源萌生時間和裂紋擴展時間，延緩裂紋萌生或擴展速度都將有利于提高不銹鋼構(gòu)件的使用壽命。
[0016]不銹鋼開裂常見的有兩種類型，分別為應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞斷裂。
[0017](I)應(yīng)力腐蝕開裂
[0018]在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力同時作用下，不銹鋼出現(xiàn)低于極限強度的脆性開裂現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕發(fā)生的裂紋源萌生于腐蝕敏感微區(qū)，裂紋一旦萌生，在不銹鋼內(nèi)部就存在一條狹窄的活性通路，在拉應(yīng)力的作用下，活性通路前段的鈍化膜反復(fù)地、間歇地破裂，腐蝕沿著與拉應(yīng)力垂直的通路前進。在裂紋尖端，由于陰離子腐蝕放氫，一部分氫擴散到尖端金屬內(nèi)部，從而引起尖端的金屬脆化，最終導(dǎo)致不銹鋼產(chǎn)生脆性開裂。
[0019]應(yīng)力腐蝕裂紋萌生于構(gòu)件表面，以點蝕形式居多，也有以晶界腐蝕而形成。點蝕坑或晶界萌生裂紋后，裂紋隨即擴展形成沿晶應(yīng)力腐蝕裂紋，當(dāng)裂紋擴展到足夠深度時，由于應(yīng)力強度因子增大，由之前的沿晶擴展轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚U展。
[0020](2)腐蝕疲勞
[0021]材料在交變應(yīng)力(也稱周期應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)力)和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下所發(fā)生的早期開裂現(xiàn)象，稱為腐蝕疲勞。在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生的疲勞比在單純空氣中發(fā)生的機械疲勞要嚴(yán)重得多，對于不銹鋼而言，在以鹽水為腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，其腐蝕疲勞強度只有機械疲勞強度的50%，即損傷比為0.5。
[0022]腐蝕疲勞是損傷累積過程，由裂紋的萌生、擴展及斷裂三個階段構(gòu)成。裂紋萌生與應(yīng)力腐蝕一樣，主要萌生于點蝕坑及晶界腐蝕，有文獻研宄表明，在氯離子濃度較高的介質(zhì)中，點蝕坑底部還存在晶界腐蝕。
[0023]斷口上的疲勞輝紋是疲勞裂紋擴展的一個典型特征。每一條輝紋對應(yīng)一個疲勞循環(huán)周次，輝紋間距對應(yīng)于這個周次的裂紋擴展距離，氯離子濃度越高，裂紋尖端的腐蝕就越快，裂紋向前推進的距離即輝紋間距越大。
[0024]前期研宄表明，在腐蝕環(huán)境下，不銹鋼材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)不如無腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能，其根本原因就在于腐蝕環(huán)境下的不銹鋼受機械及化學(xué)的雙重作用，這種雙重作用既加速裂紋的萌生又加速裂紋的擴展。
[0025]就裂紋萌生而言，目前采取的措施主要集中在材料成分及熱處理的改進上，如降低不銹鋼中S1、P、S的含量以防晶間腐蝕，提高不銹鋼中Mo、N1、Ti的含量以增強其耐點腐蝕的能力，鹽化廠對所用不銹鋼不斷升級就符合以上的觀點。但是，在裂紋萌生階段，化學(xué)作用與機械作用所貢獻的分量是完全不同的，此階段主要受化學(xué)作用控制，北京科技大學(xué)吳蔭順等就明確提出，不銹鋼在氯化物溶液中由動應(yīng)力促進點蝕的發(fā)生和發(fā)展過程仍然主要受環(huán)境介質(zhì)腐蝕性作用所控制。所以，在環(huán)境腐蝕因素不能改變的情況下，裂紋萌生是不可避免的，延緩裂紋萌生的做法并不能明顯提高構(gòu)件的疲勞壽命。
[0026]裂紋擴展階段主要受機械作用的控制，只有在拉應(yīng)力或者交變應(yīng)力的作用下，裂紋尖端才能發(fā)生塑性變形，從而露出新鮮的金屬，這部分金屬才在腐蝕的作用下使裂紋擴展，反過來說，如果裂紋尖端不能張開，裂紋也就不會擴展。很顯然，裂紋的擴展是在拉應(yīng)力(含時間軸上部分的交變應(yīng)力)的作用下進行的，壓應(yīng)力(含時間軸下部分的交變應(yīng)力)不會造成裂紋擴展。在構(gòu)件上預(yù)置足夠的壓應(yīng)力，既可以抵消由介質(zhì)壓力造成的拉應(yīng)力，也可以抵消交變應(yīng)力的拉應(yīng)力部分，使材料內(nèi)部只受壓應(yīng)力的作用，將有利于抑制裂紋的擴展。
[0027]材料開裂包含兩個基本過程，分別是裂紋萌生與裂紋擴展。因而，不銹鋼構(gòu)件的使用壽命實際上由兩個基本時段構(gòu)成，即裂紋源萌生時間和裂紋擴展時間，延緩裂紋萌生或擴展速度都將有利于提高不銹鋼構(gòu)件的使用壽命。升級不銹鋼，由304到316L，采用更加抗點蝕、抗晶間腐蝕的不銹鋼，其實就是通過延緩裂紋萌生來提高不銹鋼構(gòu)件使用壽命的，對阻礙裂紋擴展并沒有什么幫助。所以，項目組認(rèn)為，預(yù)防不銹鋼構(gòu)件早期開裂，還應(yīng)該在延緩裂紋擴展方面下工夫。
[0028]在腐蝕環(huán)境下，不銹鋼材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)不如無腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能，其根本原因就在于腐蝕環(huán)境下的不銹鋼受機械及化學(xué)的雙重作用，這種雙重作用既加速裂紋的萌生又加速裂紋的擴展。但是，在裂紋萌生階段，化學(xué)作用與機械作用所貢獻的分量是完全不同的，此階段主要受化學(xué)作用控制，在環(huán)境腐蝕因素不能改變的情況下，裂紋萌生是不可避免的，延緩裂紋萌生的做法并不能明顯提高構(gòu)件的使用壽命。
[0029]裂紋擴展階段主要受機械作用的控制，只有在拉應(yīng)力或者交變應(yīng)力的作用下，裂紋尖端才能發(fā)生塑性變形，從而露出新鮮的金屬，這部分金屬才在腐蝕的作用下使裂紋擴展，反過來說，如果裂紋尖端不能張開，裂紋也就不會擴展。所以，裂紋的擴展是在拉應(yīng)力(含時間軸上部分的交變應(yīng)力)的作用下進行的，壓應(yīng)力(含時間軸下部分的交變應(yīng)力)不會造成裂紋擴展。在不銹鋼構(gòu)件上預(yù)置足夠的壓應(yīng)力，既可以抵消由介質(zhì)壓力造成的拉應(yīng)力，也可以抵消交變應(yīng)力的拉應(yīng)力部分，使材料內(nèi)部只受壓應(yīng)力的作用，將有利于抑制裂紋的擴展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0030]本實用新型的目的在于:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可調(diào)節(jié)壓力的防開裂鹽化工設(shè)備管道，通過液壓油對于鹽化工設(shè)備管道的壓力，抵消了鹽化工設(shè)備管道內(nèi)的鹵水壓力，使得點蝕部位不會在鹵水的壓應(yīng)力下開裂