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[摘 要]本文通过对碱液管道、碱液浓度、伴热温度、应力等引起碱脆破裂的影响因素探讨，提出了相应的预防措施；并提出采取恰当措施进行修复，有效地避免了因应力腐蚀而引起的管道泄漏。
[关键词]碱脆 应力 腐蚀 预防 焊缝 修复
中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）07-0251-01
某联合装置水汽两台超高压蒸汽锅炉是烯烃装置重要动力设备，采用母管并列运行，以重油、裂解油、燃料气为燃料，该锅炉在微正压下燃烧，每台锅炉的最大蒸发量为160t/h，过热蒸汽设计压力为11.9MPa，设计蒸汽温度为525℃，锅炉的排烟的烟尘及NOX严重超标。为解决锅炉烟尘及NOX超标，2015年3月本装置采用SCR脱硝技术新建脱硫脱硝装置。氨区是2016年6月投用的脱硫脱硝新装置的一部分，UFA2704碱罐收液管道自2016年6月投用至2017年6月1年有余，2吋碱管道焊缝裂缝泄漏7次，重复维修2次，极不正常。
一、碱液管道概况
碱液管道材质20#钢，介质浓度NaOH32%溶液；设计温度60℃，设计压力0.28MPa；操作温度常温，操作压力0.1MPa；腐蚀余量1mm。管道设计有1/2吋伴热管用于冬季加热，介质低压蒸汽。伴热管紧贴碱管道，外有50mm的矿棉保温。低压蒸汽压力0.35MPa，温度150℃，2016年6月投用。
二、碱液管道应力腐蚀机理
1.金属材料的应力腐蚀破裂是拉伸应力和腐蚀介质共同作用的结果
应力腐蚀破裂与纯机械应力造成的破坏不同，它能在很低的拉伸应力作用下产生破坏；它与纯腐蚀引起的破坏也不同，在腐蚀强度低的介质中也能引起破裂。碳钢在氢氧化钠水溶液中产生应力腐蚀破裂碱脆。
2.碳钢的碱脆一般要同时具备3个条件
一是较高浓度的氢氧化钠溶液。试验指出，浓度大于10%的碱液即足以引起钢的碱脆。二是较高的温度，碱脆的温度范围较宽，但最容易引起碱脆的温度是在溶液的沸点附近。三是拉伸应力，可以是外载荷引起的应力，也可以是残余应力，或者是两者的联合作用。拉伸应力的大小虽然是碱脆的一个影响因素，但更重要的因素是应力的均匀与否，局部的拉伸应力最容易引起碱脆。
3.碳钢碱脆破裂浓度与温度的关系
碱液的浓度在32%，接收用0.45Mpa仪表风压将碱经管道压至UFA2704罐。碱管道有双伴热管线，在冬季运行时用LS加热，以防碱液低温结晶。在2016年6月至2017年9月，管道先后泄漏了7次，重复泄漏1次。经过检查，每次都是焊缝热影响区开裂，更换。
三、碱液管道焊缝裂缝（碱脆）原因分析
1.环境原因
根据碳钢碱脆破裂浓度与温度的关系，NaOH溶液的温度需大于60℃，且溶液的浓度愈高，20#钢发生碱脆的敏感性就愈大，碱浓度为32%，当温度高于55℃，就容易发生碱脆现象。碱管道原设计用1/2吋管道冬季伴热，现场保温拆除后发现用3/4吋低压蒸汽双伴热管道伴热（低压蒸汽压力0.35MPa，温度150℃），且伴热管紧贴碱管道，还有50mm的矿棉保温，碱管道温度肯定超过55℃，因此易发生碱脆。
2.材料原因
实验证明，金属中的碳含量在0.01%～0.25%范围内容易产生碱脆，20#钢的碳含量在0.12%～0.22%之间，处于此范围内，也是管道发生碱脆的重要条件。
3.应力原因
（1）管道每天2次的压碱作业的周期性压力变化，使管道具有周期性的应力变化。但这不是主要原因。
（2）管道在焊接过程中产生的残余应力，焊接后管道热处理没有達到设计要求消除焊接热应力。焊接残余应力腐蚀裂纹的产生创造了条件，从而导致管道发生碱脆。
4.设计原因
UFA2704碱罐的设计温度55℃，使用温度40℃，就是为了避免碱脆腐蚀。加伴热管的目的是为了避免管道内碱液结晶而堵塞管道。32%碱液结晶温度低于5.4℃，管道内有碱结晶析出。管道伴热设计仅需确保管道内温度大于5.5℃，小于55℃即可。同系统的管道采用1/2吋管道低压蒸汽伴热，又有50mm保温层，使得管壁温度长期处于敏感温度区域，明显的是设计不合理。
5.安装原因
伴热管道设计已经不合理，安装更不符合设计要求。现场用3/4吋低压蒸汽双伴热管道伴热，管道外表温度远远超过设计温度，使管道焊缝发生碱脆。
四、焊接裂缝修复后再开裂原因分析
1.初次修复时焊缝的热影响区没有全部磨去，更换弯头但直管仍是原管道，管道内部处理不干净，留有残碱结晶。
2.焊接时焊前没有预热，焊前预热可以整体减少焊接热应力产生；焊后热处理方式不对，仅用氧乙炔作退火处理，温度没有控制在规定范围内。退火处理是消除焊缝的残余应力可靠方法，但必须符合规范要求。
五、采取的对策
1.日常操作时采取的措施主要是控制温度
由于温度对产生应力腐蚀影响极大，必须适当控制温度。加伴热为了防止管道内碱液结晶。32%碱液结晶温度是5.4℃，当环境温度高于5.4℃时应关闭伴热。环境温度低于5.4℃管道宜采用凝液伴热，碱液温度必需控制在55℃以下，既节约能源又避免金属发生碱脆。
2.焊缝修复时采取的措施
（1）焊接应力控制
再次修复时管道内壁要清理干净，焊接时焊前预热（预热温度220℃），焊前预热可以整体减少焊接热应力产生；焊后退火热处理，热处理温度控制在620℃，以消除焊缝的残余应力。
（2）提高焊缝焊接质量
气孔、夹渣、咬边、根部未熔透等焊接缺陷的危害引起机械强度下降外，还有会产生应力集中，并使缝隙腐蚀的可能性增大，加速应力腐蚀破裂的进程。焊接时采用全氩弧焊焊接，焊接后用自控热处理方式而非氧-乙炔方式进行退火处理，消除焊接压力。
六、结论
碱脆造成的设备事故是经常发生的。碱脆的影响因素众多，在不同条件下各种原因也不尽相同不同，因此采取的措施也不尽相同。针对本装置碱液管道裂缝原因分析及裂缝初次修复后再产生焊缝开裂原因的分析，提出了正确修复对策，很好完成了碱液管道的修复工作；针对碱脆发生的条件（应力与温度），提出日常操作对策：改变伴热的介质和随环境温度变化开启或停用伴热，控制伴热管温度低于55℃，是消除碱脆发生的一个重要原因。要彻底消除管道碱脆现象发生，就必须确保安装质量，合理操作条件。
[关键词]碱脆 应力 腐蚀 预防 焊缝 修复
中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）07-0251-01
某联合装置水汽两台超高压蒸汽锅炉是烯烃装置重要动力设备，采用母管并列运行，以重油、裂解油、燃料气为燃料，该锅炉在微正压下燃烧，每台锅炉的最大蒸发量为160t/h，过热蒸汽设计压力为11.9MPa，设计蒸汽温度为525℃，锅炉的排烟的烟尘及NOX严重超标。为解决锅炉烟尘及NOX超标，2015年3月本装置采用SCR脱硝技术新建脱硫脱硝装置。氨区是2016年6月投用的脱硫脱硝新装置的一部分，UFA2704碱罐收液管道自2016年6月投用至2017年6月1年有余，2吋碱管道焊缝裂缝泄漏7次，重复维修2次，极不正常。
一、碱液管道概况
碱液管道材质20#钢，介质浓度NaOH32%溶液；设计温度60℃，设计压力0.28MPa；操作温度常温，操作压力0.1MPa；腐蚀余量1mm。管道设计有1/2吋伴热管用于冬季加热，介质低压蒸汽。伴热管紧贴碱管道，外有50mm的矿棉保温。低压蒸汽压力0.35MPa，温度150℃，2016年6月投用。
二、碱液管道应力腐蚀机理
1.金属材料的应力腐蚀破裂是拉伸应力和腐蚀介质共同作用的结果
应力腐蚀破裂与纯机械应力造成的破坏不同，它能在很低的拉伸应力作用下产生破坏；它与纯腐蚀引起的破坏也不同，在腐蚀强度低的介质中也能引起破裂。碳钢在氢氧化钠水溶液中产生应力腐蚀破裂碱脆。
2.碳钢的碱脆一般要同时具备3个条件
一是较高浓度的氢氧化钠溶液。试验指出，浓度大于10%的碱液即足以引起钢的碱脆。二是较高的温度，碱脆的温度范围较宽，但最容易引起碱脆的温度是在溶液的沸点附近。三是拉伸应力，可以是外载荷引起的应力，也可以是残余应力，或者是两者的联合作用。拉伸应力的大小虽然是碱脆的一个影响因素，但更重要的因素是应力的均匀与否，局部的拉伸应力最容易引起碱脆。
3.碳钢碱脆破裂浓度与温度的关系
碱液的浓度在32%，接收用0.45Mpa仪表风压将碱经管道压至UFA2704罐。碱管道有双伴热管线，在冬季运行时用LS加热，以防碱液低温结晶。在2016年6月至2017年9月，管道先后泄漏了7次，重复泄漏1次。经过检查，每次都是焊缝热影响区开裂，更换。
三、碱液管道焊缝裂缝（碱脆）原因分析
1.环境原因
根据碳钢碱脆破裂浓度与温度的关系，NaOH溶液的温度需大于60℃，且溶液的浓度愈高，20#钢发生碱脆的敏感性就愈大，碱浓度为32%，当温度高于55℃，就容易发生碱脆现象。碱管道原设计用1/2吋管道冬季伴热，现场保温拆除后发现用3/4吋低压蒸汽双伴热管道伴热（低压蒸汽压力0.35MPa，温度150℃），且伴热管紧贴碱管道，还有50mm的矿棉保温，碱管道温度肯定超过55℃，因此易发生碱脆。
2.材料原因
实验证明，金属中的碳含量在0.01%～0.25%范围内容易产生碱脆，20#钢的碳含量在0.12%～0.22%之间，处于此范围内，也是管道发生碱脆的重要条件。
3.应力原因
（1）管道每天2次的压碱作业的周期性压力变化，使管道具有周期性的应力变化。但这不是主要原因。
（2）管道在焊接过程中产生的残余应力，焊接后管道热处理没有達到设计要求消除焊接热应力。焊接残余应力腐蚀裂纹的产生创造了条件，从而导致管道发生碱脆。
4.设计原因
UFA2704碱罐的设计温度55℃，使用温度40℃，就是为了避免碱脆腐蚀。加伴热管的目的是为了避免管道内碱液结晶而堵塞管道。32%碱液结晶温度低于5.4℃，管道内有碱结晶析出。管道伴热设计仅需确保管道内温度大于5.5℃，小于55℃即可。同系统的管道采用1/2吋管道低压蒸汽伴热，又有50mm保温层，使得管壁温度长期处于敏感温度区域，明显的是设计不合理。
5.安装原因
伴热管道设计已经不合理，安装更不符合设计要求。现场用3/4吋低压蒸汽双伴热管道伴热，管道外表温度远远超过设计温度，使管道焊缝发生碱脆。
四、焊接裂缝修复后再开裂原因分析
1.初次修复时焊缝的热影响区没有全部磨去，更换弯头但直管仍是原管道，管道内部处理不干净，留有残碱结晶。
2.焊接时焊前没有预热，焊前预热可以整体减少焊接热应力产生；焊后热处理方式不对，仅用氧乙炔作退火处理，温度没有控制在规定范围内。退火处理是消除焊缝的残余应力可靠方法，但必须符合规范要求。
五、采取的对策
1.日常操作时采取的措施主要是控制温度
由于温度对产生应力腐蚀影响极大，必须适当控制温度。加伴热为了防止管道内碱液结晶。32%碱液结晶温度是5.4℃，当环境温度高于5.4℃时应关闭伴热。环境温度低于5.4℃管道宜采用凝液伴热，碱液温度必需控制在55℃以下，既节约能源又避免金属发生碱脆。
2.焊缝修复时采取的措施
（1）焊接应力控制
再次修复时管道内壁要清理干净，焊接时焊前预热（预热温度220℃），焊前预热可以整体减少焊接热应力产生；焊后退火热处理，热处理温度控制在620℃，以消除焊缝的残余应力。
（2）提高焊缝焊接质量
气孔、夹渣、咬边、根部未熔透等焊接缺陷的危害引起机械强度下降外，还有会产生应力集中，并使缝隙腐蚀的可能性增大，加速应力腐蚀破裂的进程。焊接时采用全氩弧焊焊接，焊接后用自控热处理方式而非氧-乙炔方式进行退火处理，消除焊接压力。
六、结论
碱脆造成的设备事故是经常发生的。碱脆的影响因素众多，在不同条件下各种原因也不尽相同不同，因此采取的措施也不尽相同。针对本装置碱液管道裂缝原因分析及裂缝初次修复后再产生焊缝开裂原因的分析，提出了正确修复对策，很好完成了碱液管道的修复工作；针对碱脆发生的条件（应力与温度），提出日常操作对策：改变伴热的介质和随环境温度变化开启或停用伴热，控制伴热管温度低于55℃，是消除碱脆发生的一个重要原因。要彻底消除管道碱脆现象发生，就必须确保安装质量，合理操作条件。