氧化铝厂蒸发器发生应力腐蚀的原因分析与防治-中铝长城建设有限.DOC

氧化铝厂蒸发器发生应力腐蚀 的原因分析与防治 张伟平 中国长城铝业公司建设公司 摘 要：本文对氧化铝厂蒸发器发生应力腐蚀的危害性作了介绍，描述了应力腐蚀裂纹的特征，对应力腐蚀产生的原因进行了分析，并提出了防治措施。 关键词： 材质 介质 应力 应力腐蚀 裂纹 前 言 近几年来随着铝行业的发展，新建的氧化铝厂越来越多，旧厂改造扩建的也不少，可是氧化铝厂的蒸发设备发生应力腐蚀的现象一直没有得到解决。山西铝厂大蒸发器投产36天，凡是母液浸泡过的焊缝都出现了腐蚀性裂纹，最严重的是贯穿性裂纹，出现裂纹的焊缝能达到焊缝总数的61％。长铝公司氧化铝厂1100m2蒸发器加热室的上下封头、循环弯管、蒸发室第三视镜以下部分母液所在之处的焊缝都时常出现腐蚀性裂纹，许多铝厂的蒸发器都经常有类似现象发生。这样造成金属材料重大损失，影响设备的使用寿命，而且使得设备的检修周期缩短，增加辅助时间和修理费用。同时，由于应力腐蚀现象的发生，使得设备及管道的跑、冒、滴、漏现象甚为严重，使原料和成品造成大量损失，影响产品质量、污染环境；有的还引起爆炸、出现灾难性的事故。可见，对蒸发器发生应力腐蚀断裂的研究和控制是一个十分迫切的问题。 现以长铝公司氧化铝厂1100m2蒸发器发生应力腐蚀现象的原因进行分析、作以说明。 1100m2自然循环蒸发器技术特性表 蒸发器 材 质 工作压力 工作温度 介质情况 蒸发室 Q235-A 0.32Mpa 98℃/155℃ 蒸发母液中苛性碱浓度为280～300克／升（折合成NaOH浓度为：26.76％～27.95％） 加热室 20R 0.65Mpa 142℃/250℃ 过热蒸汽 应力腐蚀裂纹的特征 应力腐蚀的基本概念 应力腐蚀是指金属材料在拉应力和腐蚀性介质联合作用下产生的一种腐蚀破坏，其结果使金属材料产生腐蚀裂纹，甚至突然破裂。化工设备在焊接加工过程中和工作承载过程中都会产生应力，这些应力作用结果引起设备金属材料内部晶格的扭曲，或产生微裂纹，从而降低了这些部位的电极电位，当它们和电解液接触时，这些部位就形成腐蚀微电池的阳极、造成腐蚀，随着腐蚀的进行，裂纹很快扩展，以致产生破裂。这种由于应力和腐蚀性介质联合作用下产生的腐蚀叫应力破坏腐蚀。 应力腐蚀裂纹的特征 应力腐蚀的裂纹有沿晶发展和穿晶发展两种基本途径，宏观上应力腐蚀裂纹基本上垂直于拉伸应力。 氧化铝厂蒸发器的应力腐蚀裂纹在环焊缝的地方呈辐射状；在直焊缝的地方呈蜈蚣状，均沿垂直于焊缝的方向上连续扩展；详细情况请看附图（长铝公司氧化铝厂1100m2蒸发器焊缝裂纹的现场拍照）。深入到金属内部的应力腐蚀裂纹，就如植物根须一样由表面向纵深发展。 应力腐蚀的断口是典型的脆性断口。一般情况下，低碳钢、低合金高强度钢等大多属沿晶断裂，裂纹大致垂直于拉应力方向，由晶间向纵深发展，这类沿晶断裂在电子显微镜下观察为冰糖状花样。 应力腐蚀裂纹产生的原因 产生应力腐蚀裂纹的匹配性 金属材料在腐蚀介质与拉应力同时作用下不一定都会发生应力腐蚀，例如碳钢在稀硫酸中即使在拉应力作用下也不会产生应力腐蚀，只会产生极快的均匀腐蚀。这说明金属在某种介质中是否会产生应力腐蚀具有明显的选择性。即材质与介质有一定的匹配性，也就是某种材料只在某些介质环境中才产生应力腐蚀裂纹。氧化铝厂1100m2蒸发器易损部位蒸发室就属于低碳钢，蒸发母液中的苛性碱就是使低碳钢产生应力腐蚀开裂的介质之一。现将一 些易使常用金属材料产生应力腐蚀开裂的介质列于下表： 金属材料 腐蚀介质 低碳钢 苛性碱溶液、NaOH＋Na2SiO3水溶液、硝酸盐水溶液、海水等 低合金钢 NaOH＋Na2SiO3水溶液（沸腾）、HNO3水溶液（沸腾）、H2S水溶液、H2SO4+HNO3水溶液、HCN水溶液、NH4CI水溶液、海洋气氛、海水、液氨等 蒸发器发生应力腐蚀的机理 应力腐蚀裂纹的产生受材质、腐蚀介质和临界拉应力三个因素制约。目前，从电化学方面考虑，把应力腐蚀裂纹大体分为两类，即阳极溶解腐蚀（简称APC）和阴极氢脆开裂（简称HEC）,多数情况下是两者共存。它们的腐蚀过程如图（1）所示。 (a) (b) 图(1) 应力腐蚀裂纹的类型及其形成原理 (a) 阳极溶解腐蚀 (b) 氢脆断裂 在应力作用下，阳极发生金属溶解： M → M+ ＋ e 阴极则是氢粒子吸收电子形成氢原子： H+ ＋ e → H 从图（1）可见，在应力σ的作用下，阳极可以发生M+溶解，阳极电流密度I0越大，表明M+的溶解越强烈，则腐蚀开裂的时间也越短，这就是应力阳极溶解开裂（APC）。而在应力作用时，阴极也会发生吸氢致脆的过程，并且阴极电流密度I0越大，表明吸氢过程越强烈，越容易产生应力