铁路罐车腐蚀问题浅析及安全性分析

铁路罐车腐蚀问题浅析

支训龙

陕西省锅炉压力容器检验所

1　前　言

某单位一辆液化石油气铁路罐车，罐车基本情况如下：罐车设计压力：2.2MPa，主体材质：16MnR，腐蚀裕量：1mm，充装重量：40.0t，制造出厂：1994年。经检查，发现罐车内封头环缝附近母材存在局部坑状腐蚀。由于这类腐蚀具有普遍性和延续性等特点，如果不及时处理，有可能使腐蚀向纵深方向发展，形成深坑，从而诱发应力腐蚀裂纹产生。同时大面积局部腐蚀也会造成罐体承载面积减小，引起弹性失效。本文通过本案例，初步探讨罐车发生腐蚀的原因、应该采取局部焊补修复处理等措施，以提高罐车安全等级，达到继续使用之目的。

2　检查情况

2.1　腐蚀宏观检查

经检查，腐蚀面积为：360mm×200mm，最大坑为14mm×12mm，腐蚀深度平均为1.8mm，最深约2mm。罐内除局部腐蚀，还发现大量氧化皮和均匀腐蚀，腐蚀区域已超过直径为190mm的面积（图1）。

图1　罐体内壁腐蚀凹坑形貌

2.2　磁粉检测

对腐蚀坑及其周围表面进行磁粉探伤，未发现裂纹及其它超标缺陷存在。

2.3　化学成分分析

罐体材料为16MnR，板厚22mm；封头材料为16MnR，板厚24mm.16MnR筒节材料供应商提供的化学成分及实测化学成分如表1所示。

表1　罐体的化学成分（Wt％）

2.4　硬度测定

硬度测定：HB：150～156

2.5　罐体外壁腐蚀凹坑部位金相分析

对腐蚀部位取样进行金相检测发现：基体组织为铁素体＋珠光体（图2）。

图2　罐体内壁腐蚀凹坑金相组织

3　腐蚀的原因分析

一般说来，罐体中发生腐蚀从机理上说应该是两个过程：第一个过程是氧腐蚀，这与水中溶解的氧浓度和运行条件有关。从这类腐蚀与罐体母材表面的冶金质量、制造加工表面粗糙度、罐内介质成分，以及罐车使用情况来分析，其腐蚀类型是局部氧浓差电化学腐蚀。在充装液化石油气过程中，或多或少带有H₂S、H₂O、溶解氧等杂质进入罐车里，成为电解质溶液。与此同时，由于该罐车母材表面存在大量氧化皮，且罐车底部浸泡在溶液中。在腐蚀部位的地方罐车母材表面形成缝隙，构成电位差微电池腐蚀。在铁氧腐蚀电池中，由于铁的电极电位总是比氧低，所以铁是阳极，在缝内，腐蚀反应如下：

阳极：Fe─→Fe^2＋＋2e

氧是阴极，在缝外，进行还原反应：

阴极：O₂＋4e＋2H₂O─→4OH^－

总的反应式是：

(www.xing528.com)

纯的Fe（OH）₂是白色的，在水中被进一步氧化成Fe（OH）₃，即

当二价铁氧化成三价铁，则变成红棕色而沉淀。随着腐蚀的进行和腐蚀产物在缝口形成，逐步发展为闭塞电池。此时缝内Fe2＋、Fe3＋便难以扩散、迁移出外，随着Fe2＋、Fe3＋积累，缝内造成正电荷过剩，促使缝外S2－迁入，形成一个自催化过程，使缝内金属Fe的溶解加速进行下去也就形成腐蚀坑状外观。这些腐蚀产物的结构都比较疏松，没有保护性，因而，腐蚀过程将会在腐蚀区中继续进行。第二过程是析氢阶段，由于腐蚀区域低凹，为H₂S等有害成分长期聚集，高度浓缩，溶于水膜形成酸环境，硫化氢遇水电离：H₂S─→H^﹢＋HS^﹣，金属表面上电极电位不同而构成腐蚀电池，Fe同样还是阳极，H^＋得到电子发生析氢反应：

阳极：Fe─→Fe^2＋＋2e

阴极：2H^﹢─→＋2e2H

析出的氢经吸附、渗透，扩散到罐体的空穴或非金属夹杂物及晶格界面的空隙中富集，由原子状态转化为分子状态，形成了较大的应力，有可能导致金属的材质劣化及应力腐蚀裂纹的产生。在此过程，应力腐蚀破裂的严重性会随H₂S浓度的增加而升高，同时由于金属内部杂质的不断暴露而加大了阴极表面，使腐蚀速度也越来越快，因此，腐蚀速率随着腐蚀环境的稳定而提高，这就是罐体停用时间越长，因结构不合理造成残液长期积存于死角引起腐蚀加剧的原因。

4　腐蚀部位处理措施

4.1　根据GB150－1998计算壁厚δ允许的最小值

式中，设计压力P＝2.2MPa；罐体内直径Di＝2 800mm；16MnR许用应力［σ］t＝163 MPa，焊缝系数Φ＝1；计算得δ＝19.02mm；δ₁＝18.96mm；腐蚀裕量C₂＝1mm；允许最小壁厚≥δ（δ₁）＋C₂＝20.02mm。同时用超声波测厚仪测量腐蚀部位壁厚，经测定腐蚀最严重

部位为19.90mm，根据强度计算，该罐车允许最小壁厚为20.02mm，略小于强度计算要求。

4.2　消除缺陷的方法

修复前，对腐蚀及机械损伤处进行打磨，使其露出金属光泽并与母材圆滑过渡。所测最小剩余壁厚小于允许最小壁厚，考虑到罐车的整体状况及局部焊补修复的技术可能性，由具有资格的单位进行修复焊补，以期提高罐体安全等级。

4.3　焊接

焊前将各需焊补部位打磨成V型坡口，坡口角度75°，对于较深的单个蚀坑也应修磨成便于施焊的V型坡口，并对施焊工艺进行评定。对于低合金钢16MnR为母材，焊补部位约束应力较高，焊接冷却速度快，焊缝对含氢量较敏感等情况，应选择热量相对比较集中，焊缝金属含氢量低的焊接方法。

4.4　焊后处理及检验

焊后采用磨光机将焊补的焊缝表面进行打磨，焊缝表面可略高于筒体壁厚1.0mm左右，并应圆滑过渡减少应力集中。然后对焊补处进行磁粉探伤，合格后再进行X射线探伤，Ⅱ合格。磁粉探伤及X射线探伤按JB/T4730－2005《承压设备无损检测》的要求，在焊接修复完毕24h后进行。无损探伤合格后，按焊后热处理规范和工艺的要求，对焊补部位进行局部消应力退火热处理。修补结束后，对罐体进行P＝3.3MPa的耐压试验，补焊处罐体无渗漏，无目视可见异常变形及其他异常现象为合格。耐压试验后，再次对补焊处进行了一次磁粉探伤，未发现磁粉堆积现象，合格。经过修复处理后的液化石油气罐车，安全状况等级确定为3级，运行一年后开罐检验，未发现新生缺陷，确定下次年检日期。

5　结论及建议

（1）液化气体罐体在停用期间应加强养护，及时排空残液，消除残液存留条件，尽量缩短H₂S和H₂O在罐体内停留的时间。

（2）提高液化石油气质量，采用严格的脱硫和气体置换工艺，最大限度地降低罐内H₂S 和O₂的含量。

（3）在罐车设计制造时，应使介质流动通畅，减少滞留死角，避免H₂S酸性环境的形成。

（4）罐车焊补修复过程应严格按照修复工艺，确保焊接质量。

参考文献

［1］压力容器安全技术监察规程［S］.北京：中国劳动社会保障出版社，1999

［2］液化气体罐车安全监察规程［S］.北京：中国劳动社会保障出版社，1992

［3］GB150－1998钢制压力容器［S］.北京：中国标准出版社，1998

［4］王应植，王一宁，等.液化气体铁路罐车罐体的检测与安全性评定.压力容器.2003

［5］祖因希，许家秋.对一台液化石油气汽车罐车腐蚀缺陷的处理.中国化工装备.2005