防開裂的鹽化工設備管道的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鹽化工設備管道領域，具體涉及一種防開裂的鹽化工設備管道。
【背景技術】
[0002]設備腐蝕開裂是鹽化工企業生產中面臨的一個重大難題。之所以鹽化設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境有關，主要體現在以下幾個方面:
(I)氯離子濃度
鹵水中氯離子濃度極高，這是不銹鋼產生腐蝕的根源，不銹鋼構件常見的環境失效方式如點蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞斷裂都與溶液中存在氯離子有關。
[0003]已有研宄表明，即使氯離子濃度較低的服役環境，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件處于極端惡劣的工作環境中，氯離子的影響成為分析問題的關鍵。
[0004](2)工作溫度
蒸餾是鹵水制鹽的主要工藝手段，鹵水溫度各區段稍有不同，大約在90-120°C左右。處于高溫鹵水中的電解質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。奧氏體不銹鋼應力腐蝕斷裂多發生在50-300°C的范圍內，一般來說，溫度越高，應力腐蝕斷裂越容易發生。與鹵水接觸的不銹鋼正好處于這一敏感溫度范圍，所以，容易產生應力腐蝕。
[0005](3)鹵水壓力
鹵水壓力一般在0.5MPa左右，使泵閥、管道及蒸餾釜等相關構件的材料承受相當的應力作用。很顯然，材料的開裂歸根到底是由應力引起的，在沒有腐蝕介質的環境中，材料開裂的應力極限高于腐蝕環境下的應力極限。
[0006]目前，鹽化工企業遇到構件開裂的問題，往往首先考慮材料問題，認為材料抗點蝕、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，反而增加了企業的生產成本。為此，除了在提高材料耐腐蝕性方面采取措施外，還應該從減小應力方面采取措施。
[0007]不銹鋼具有優異的力學性能和耐腐蝕性，已被廣泛地應用于各種腐蝕環境中，諸如化工、煉油、航空、造船及醫藥等行業。當環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，使鈍化膜下的金屬不再繼續腐蝕，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境中，所形成的鈍化膜并不穩定，容易破裂，從而發生嚴重的局部腐蝕，如點蝕和縫隙腐蝕等。
[0008]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遠超過此臨界濃度，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，我們仍然可以大膽地預計，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生，因為，即使氯離子在幾十個ppm濃度范圍內，在一定溫度下，經過一段誘導期，316不銹鋼也能發生點蝕。
[0009]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合物溶解到電解液中，導致局部地方氧化膜的薄化，從而使膜內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。
[0010]點蝕坑的底部發生金屬溶解反應，由于坑附近區吸氧，坑內陽離子濃度的增加導致氯離子向點蝕坑內聚集。氯離子與金屬陽離子結合形成金屬氯化物，金屬氯化物水解生成酸使得坑內具有較低的PH值，從而導致金屬發生自催化型溶解。自催化溶解的結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的關系，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，點蝕造成的應力集中達到一定值時，才會形成裂紋源。
[0011]一旦裂紋形成，裂紋的擴展隨即展開，直至工件破裂。因而，不銹鋼構件的使用壽命實際上由兩個基本時段構成，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件的使用壽命。
[0012]不銹鋼開裂常見的有兩種類型，分別為應力腐蝕開裂和腐蝕疲勞斷裂。
[0013](I)應力腐蝕開裂
在特定的腐蝕介質和拉應力同時作用下，不銹鋼出現低于極限強度的脆性開裂現象稱為應力腐蝕。應力腐蝕發生的裂紋源萌生于腐蝕敏感微區，裂紋一旦萌生，在不銹鋼內部就存在一條狹窄的活性通路，在拉應力的作用下，活性通路前段的鈍化膜反復地、間歇地破裂，腐蝕沿著與拉應力垂直的通路前進。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部，從而引起尖端的金屬脆化，最終導致不銹鋼產生脆性開裂。
[0014]應力腐蝕裂紋萌生于構件表面，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力腐蝕裂紋，當裂紋擴展到足夠深度時，由于應力強度因子增大，由之前的沿晶擴展轉變為穿晶擴展。
[0015](2)腐蝕疲勞
材料在交變應力(也稱周期應力或循環應力)和腐蝕介質的聯合作用下所發生的早期開裂現象，稱為腐蝕疲勞。在腐蝕介質中發生的疲勞比在單純空氣中發生的機械疲勞要嚴重得多，對于不銹鋼而言，在以鹽水為腐蝕介質的環境中，其腐蝕疲勞強度只有機械疲勞強度的50%，即損傷比為0.5。
[0016]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成。裂紋萌生與應力腐蝕一樣，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中，點蝕坑底部還存在晶界腐蝕。
[0017]斷口上的疲勞輝紋是疲勞裂紋擴展的一個典型特征。每一條輝紋對應一個疲勞循環周次，輝紋間距對應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。
[0018]前期研宄表明，在腐蝕環境下，不銹鋼材料的力學性能遠不如無腐蝕環境下的力學性能，其根本原因就在于腐蝕環境下的不銹鋼受機械及化學的雙重作用，這種雙重作用既加速裂紋的萌生又加速裂紋的擴展。
[0019]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，此階段主要受化學作用控制，北京科技大學吳蔭順等就明確提出，不銹鋼在氯化物溶液中由動應力促進點蝕的發生和發展過程仍然主要受環境介質腐蝕性作用所控制。所以，在環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件的疲勞壽命。
[0020]裂紋擴展階段主要受機械作用的控制，只有在拉應力或者交變應力的作用下，裂紋尖端才能發生塑性變形，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力(含時間軸上部分的交變應力)的作用下進行的，壓應力(含時間軸下部分的交變應力)不會造成裂紋擴展。在構件上預置足夠的壓應力，既可以抵消由介質壓力造成的拉應力，也可以抵消交變應力的拉應力部分，使材料內部只受壓應力的作用，將有利于抑制裂紋的擴展。
[0021]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，不銹鋼構件的使用壽命實際上由兩個基本時段構成，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，項目組認為，預防不銹鋼構件早期開裂，還應該在延緩裂紋擴展方面下工夫。
[0022]在腐蝕環境下，不銹鋼材料的力學性能遠不如無腐蝕環境下的力學性能，其根本原因就在于腐蝕環境下的不銹鋼受機械及化學的雙重作用，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，此階段主要受化學作用控制，在環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件的使用壽命。
[0023]裂紋擴展階段主要受機械作用的控制，只有在拉應力或者交變應力的作用下，裂紋尖端才能發生塑性變形，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力(含時間軸上部分的交變應力)的作用下進行的，壓應力(含時間軸下部分的交變應力)不會造成裂紋擴展。在不銹鋼構件上預置足夠的壓應力，既可以抵消由介質壓力造成