摘要：通过煤气介质膨胀节在双金属腐蚀失效和应力腐蚀失效,介绍煤气介质膨胀节腐蚀防护方法。
关键词：煤气; 腐蚀; 防护;
1 概述
煤气管道中膨胀节用来吸收热胀冷缩等原因引起的管道和(或)设备尺寸变化的装置,是补偿管道因温度变化产生位移的柔性元件,因腐蚀破坏而多次出现事故,使人们的生命安全受到极大威胁,财产损失严重。针对具体工况条件,选用合理的材料及防护措施,将腐蚀现象减少或降低,将腐蚀发生的损失降到最低。
作为补偿元件,就要求波纹管膨胀节具有一定的承压能力,也要有一定的柔性(刚度)。现阶段各厂家多选用U型波纹管,承压能力和刚度两者间有如下关系:波纹管壁厚越厚,承压能力越强,刚度值越大;波高越高,刚度值越低;波距越小刚度值越低。管道膨胀节通常要求尽可能大的补偿量,因此在波纹管满足承压的前提下,尽可能减小壁厚,以获得较小的刚度。而波纹管在成型过程中有些成型方式会对波纹管材料表面产生划痕,表面损伤严重,因此抗腐蚀性能差,疲劳寿命低。有特定的腐蚀环境和残余拉应力的存在,构成了应力腐蚀不可缺少的两个条件。
通过煤气介质膨胀节在双金属腐蚀失效和应力腐蚀失效,介绍避免发生类似现象的方法。
2 腐蚀防护
腐蚀是材料和环境件反应造成的损伤,发生在材料和环境接触的界面上。防止金属腐蚀主要是破坏其条件,使腐蚀无法发生。按采取措施性质和限制进行下列分类:⑴改善金属材料,通过改变材料成分或组织结构,研制耐蚀合金;⑵表面涂层保护,如在不耐腐蚀的材料表面涂、镀、渗、衬耐腐蚀材料;⑶改变金属与介质体系的电极、电势,进行电化学保护;⑷改变腐蚀介质,通过加入缓蚀剂、改变介质成分等。
2.1 改变膨胀节波纹管的材料
这是目前采用最多的方法,也是效果最明显的方法。煤气管道用膨胀节波纹管材质多为300系列奥氏体不锈钢制造,如SUS304、SUS321、SUS316L等。这些材料在含S2-、Cl-、连多硫酸、H2S等的液体介质中均存在产生点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀等问题,只不过SUS316L、SUS321相对来说比SUS304、1Cr8Ni9Ti稍好一些。要比较好的解决腐蚀问题,应选择Cr、Ni、Mo含量较高,抗腐蚀性能较好的材料如Inconel6xx系列不锈钢或Incoloy8xx系列、254SM0、6XN等来制造波纹管组件。从目前应用的效果来看,有些钢厂应用效果很好,使用寿命长达5年,没出现泄漏。但有些钢厂应用效果比较差,使用几个月就产生腐蚀泄漏。这与腐蚀介质成份以及材料的质量有关,介质中若只含S2-,采用254SMo效果很好,若只含Cl-,采用Incoloy825效果很好。若S2-、Cl-同时存在,用254SMo或Incoloy825效果也较好。若同时有NO3-或F-时,采用254SMo或Incoloy825使用寿命就会很短,主要取决于NO3-、F-的浓度,当浓度较高时使用寿命只有几个月甚至更短。上述材料中,综合性能最好的是Inconel625,其次是Incoloy825。但Inconel625价格太贵,不宜采用。一般说来,煤气中若既含较高的S2-,也含较高的Cl-的情况下,建议压力、温度较高的工艺管道如粗煤气管段首先采用Incoloy825,压力、温度较低的管段上可选用254SM0、6XN。当煤气中S2-、Cl-含量较低时,也可适当选用Incoloy800、FN2、B315等材料。为了降低其造价,波纹管制作应为多层结构,其接触介质层采用抗腐蚀性能好的材料。
2.2 材料表面涂覆技术
材料表面涂覆技术现阶段比较可行且应用广泛的有:在材料表面涂各种防腐涂料和在材料内衬耐腐蚀材料两种。
2.2.1 材料表面涂防腐涂料
目前一些厂家在管道内部涂防腐涂料,其中有树脂类,玻璃磷片胶泥等。对于低温无粉尘冲刷的管道有一定的效果,但对高温管道或有粉尘冲刷磨损的管道效果很差。对于变形很小的管道可用,对于膨胀节变形大的部件不适用,其原因是涂料在大变形情况下易产生龟裂纹脱落,起不到隔离保护作用。所以要降低单波补偿量,减小波纹管变形,防止涂层脱落。因此,涂料只能在下列工作条件下可用:无粉尘磨损、在有效使用温度范围内、涂料无温度老化效应产生、与工作介质不发生化学反应、被保护构件工作时不产生大变形,所用涂料便于施工,并能确保其良好微密性、附着力且没有针孔产生。在管道有涂覆要求的时候一定要求膨胀节的与介质接触部位都要涂覆,不要漏掉不锈钢波纹管部分和各部位连接的焊缝位置,避免出现极性不同的部位,产生双金属电化学腐蚀。
2.2.2 内衬耐腐蚀材料
聚四氟乙烯材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点,几乎不溶于所有的溶剂,即使在王水中煮沸也不起变化,广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的场合。聚四氟乙烯还具有密封性、电绝缘性(可以抵抗1500伏高压电)和良好的抗老化能力、耐温优异(能在+250℃至-180℃的温度下长期工作),且允许骤冷骤热,或冷热交替操作;具有良好的机械韧性,即使温度下降到-196℃,也可保持5%的伸长率。
对于高炉煤气,温度不高(40℃左右)、压力不高(0.25MPa左右)、有各种腐蚀成分,采用内衬高分子材料是比较好的方法。在波纹管内壁衬一层高分子材料,如聚四氟乙烯、偏聚二氟乙烯等,尤其以聚四氟乙烯应用更广泛。内衬高分子材料波纹管膨胀节有几个特点:⑴使用温度没有超过内衬材料允许使用温度,且在此温度下不产生老化效应;⑵所衬材料不能与介质发生化学反应,且具有很强化学稳定性;⑶使用工况没有冲刷磨损;⑷所衬材料必须具有良好的塑变能力,在波纹管产生位移变形时不会破裂。
对于整体碳钢管道作内衬,其工艺难度很大,工程造价很高。管道全部改为分段法兰连接才能实现,且要在工厂内先预置好运现场安装。单独对波纹管膨胀节作内衬是可行的,有几点要注意:⑴膨胀节与两端接管必须是法兰连接,包括导流筒。相对现阶段大口径煤气管道膨胀节多选用接管焊接式,增加法兰会增加成本;⑵内衬的聚四氟乙烯材料多用薄板粘接后涨波成型。聚四氟乙烯材料具有不粘附性,是固体材料中表面张力最小的,不粘附任何物质。现阶段采用热压复合、焊接、粘结等,以制得最终产品;⑶内衬的聚四氟乙烯材料与本体材料要有良好的附着力,在减小套合间隙的情况下,也可以在聚四氟乙烯材料内再增加一层不锈钢材料形成夹套结构。
2.3 防止应力腐蚀的措施
应力腐蚀是一种需要重点研究的腐蚀,因其大部分表面实际不遭受腐蚀,只有一些细裂纹穿透内部,且裂纹扩展很快,能在短时间内发生严重的破坏。发生应力腐蚀必须有缺一不可的两点:材料内应力和引起应力腐蚀的敏感介质。对于波纹管膨胀节,在防止应力腐蚀方面除合理选材外还应尽量消除应力。
(1)改进结构设计,减小应力集中,在部件的加工、制造过程中尽量避免产生较大的残余应力。具体在波纹管设计时,应尽可能降低一次应力(工作压力引起的应力)和二次应力(工作位移引起的应力)。当工作压力一定时,为了降低一次应力,设计时应增加波纹管的壁厚,降低波纹管的波高;当波纹管工作位移量一定时,为了降低二次应力,应增加波纹管波数和降低波纹管的壁厚,增加波纹管的波高。因此在选择波纹管壁厚、波高时必须权衡利弊,综合考虑。为了解决这一矛盾,只有一个办法,就是波纹管采用多层结构,利用增加多层总厚度来降低一次应力,利用减小与介质接触层的壁厚来降低该层的二次应力,这样就可以把接触介质层的应力水平降下来。在波纹管成型过程中应尽量采用液压成型或选用覆膜板成型,减少对波纹管内壁的划伤。(2)减小波纹管在工作中的单波变形量,尽量避免产生较大的残余应力。(3)可通过热处理方法消除残余应力。具体可在波纹管成型后进行固熔处理得到成分均匀的组织,降低波纹管成型过程中产生的冷作硬化降低应力。
3 结论
高炉煤气膨胀节防止腐蚀问题应注意以下几点:(1)改变波纹管的材料,选用铬、镍、钼含量高的材料,Incoloy825、254SMo、6XN材料的效果比较好。(2)材料表面涂覆技术现阶段比较可行且应用广泛的有:材料表面涂各种防腐涂料和在材料内衬耐腐蚀材料两种。表面涂覆的防腐涂料有玻璃鳞片胶泥等,材料内衬可选聚四氟乙烯。(3)改变波纹管结构设计,合理选择波纹管壁厚、波高、波数等降低膨胀节工作应力水平;改进膨胀节制造工艺,多选用液压成型;降低残余应力;采用固溶化处理工艺减少波纹管内应力,得到成分均匀的组织,降低波纹管成型过程中产生的冷作硬化、释放应力。
参考文献
[1] 美国ETMA标准,2005.
[2]金属波纹管膨胀节通用技术条件.GB/T12777-2008.
[3]腐蚀金属学及耐腐蚀金属材料[M].杭州:浙江科学技术出版社.
[4]赵麦群,雷阿丽.金属的腐蚀与防护[M].北京:国防工业出版社.
[5] 李永生,李建国.波纹管膨胀节实用技术[M].北京:化学工业出版社.
