一起碳化塔产生氢鼓包的原因分析

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　　摘 要：碳化塔检验出鼓包，通过检验分析确定为低合金钢在临氢介质下出现氢损伤，产生鼓包和氢致裂纹。
　　关键词：氢鼓包
　　1 概述
　　在对我市某化肥厂碳化塔进行检验过程中发现在塔体上检出了严重的鼓包和裂纹缺陷，经论证确定为氢鼓包和氢致裂纹。
　　这台碳化塔是2000年3月生产，质量证明书、产品合格证、监检证书等资料齐全，材质也符合要求。该碳化塔最高使用压力为1.3MPa，设计温度为40℃，筒体壁厚为18mm，筒体材料为16MnR，均符合要求，介质为变换气、浓氨水、碳酸氢铵及其结晶物。
　　2 检验情况
　　2.1 本次检验为全面检验
　　经对资料审查和日常运行情况了解后，我们制定了检验方案，首先对该台碳化塔内部进行了表面宏观检查，发现在该塔底部第二筒节处环氧树脂防腐层大面积脱落，面积最大处有3000x300mm左右，进一步检查发现在塔内防腐条件差的地方出现许多鼓包，在这两筒节上肉眼明显可见的鼓包合计有23处之多，鼓包直径大的有150mm左右，小的有50mm左右，鼓包高度从5mm到15mm左右，这些鼓包有的已经有明显裂纹，裂纹有分支，呈放射状，其深度贯穿鼓包厚度，鼓包裂纹形态见图一。
　　2.2 无损检测
　　根据上述情况，对塔体内壁鼓包处进行超声波测厚，重点为鼓包及其周围，测厚结果显示筒体钢板存在夹层，增加筒体夹层处超声波探伤，以确定夹层范围及倾角，具体检测结果选择有代表性的几处，见上表。
　　壁厚测定显示夹层基本是与钢板表面平行的。
　　超声检测未发现其他部位存在超标缺陷。
　　2.3 金相检查
　　在筒体材料鼓包处做50倍现场金相检查，组织为铁素体+珠光体，未见组织有明显变化。
　　3 鼓包的原因分析
　　从碳化塔正常操作情况来看，压力、温度不高，可以排除高温蠕变变形及其他外界条件引起的鼓包变形，碳化塔内介质为变换气、浓氨水、碳酸氢铵及其结晶，属于临氢介质。碳化塔筒体材料为16MnR为低合金钢，金相组织为铁素体+珠光体，点阵结构为体心立方晶格，氢在其中的扩散系数为4.0×10-7cm/s，较其他几种钢都高，发生氢损伤的适宜温度为-100℃～100℃。
　　碳化塔内介质成溶液状态存在，在介质内会电离出氢离子，H+主要可以通过下列化学反应而存在：
　　①（NH4）2CO2+H2O→NH4++HCO3-+NH3H2O
　　②HCO3-→H++CO32-
　　③NH3→N3-+3H+（氣体热分解）
　　H+和钢板表面的电子结合形成氢原子，筒体材料的体心立方晶格结构很容易溶解氢，溶解的氢在金属中大部分以氢原子形式存在，由于氢的原子半径非常小，这一部分氢可以在金属晶格中自由扩散形成扩散氢，钢中的扩散氢非常容易在晶粒中的位错、显微缺陷、非金属夹杂物边缘等应力集中处受应力诱导、相变诱导等因素作用而发生聚集。聚集的氢结合成分子氢使直径增大而失去扩散能力成为残余氢。
　　图二  氢鼓包形成过程示意图
　　如果钢板存在夹层等宏观缺陷，残余氢会随着扩散的不断进行而越聚越多，结合成的分子氢形成的压力就会不断增高，最后压力可达上万兆帕，从而造成夹层处鼓包称为氢鼓包。鼓包的直径可达几十到一百多毫米，鼓包处的金属因氢损伤使塑性降低产生裂纹成为氢致裂纹。氢鼓包的形成过程可用图二表示。
　　4 结论
　　碳化塔筒体材料的选择应符合相关标准要求，特别是要控制好非金属夹杂物的含量，不能有夹层等宏观缺陷存在。
　　由于碳化塔内介质属于临氢介质，钢板中的扩散氢会在钢板缺陷处聚集形成分子氢，从而产生高压使钢板出现鼓包。钢板中的非金属夹杂物在轧制过程中会形成平行于钢板表面的夹层，是产生鼓包的诱因之一。
　　由于鼓包的数量和面积较大，无法保证碳化塔安全运行，建议做更换筒节修理。
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