浅论液氨储罐压力容器设计的常见问题

液氨储罐压力容器设计

储罐里面的液氨是经过加压或降温转化而成的液化气，它的操作压力就是大气温度下的饱和蒸气压。操作温度和操作压力随气候变化而波动。根椐《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，无保温或保冷措施的液氨常温储罐，设计温度取50℃，设计压力取液氨在50℃时的饱和蒸气压力。多年来对液氨储罐的设计回访发现，这类储罐很少发生强度破坏，大多数是由腐蚀裂纹引起的腐蚀破坏。根据多年实践，材料强度越高，发生应力腐蚀的可能性越大，在综合考虑操作压力、残余应力以及安全性和经济性的情况下，应尽可能选用强度较低的钢材，如Q235—B虽然强度低，但其材料本身的杂质含量及特性、应力大小等因素都不适合液氨这种介质，故一般常选用Q245R、Q345R材料，且为正火板，主要是为了防止氨应力腐蚀。对导致应力腐蚀的液氨储罐，其所用钢板还应逐张进行超声波检测，符合JB/T4730.3—2005《承压设备无损检测》第3部分：超声检测中的II级为合格。GB150—1998《钢制压力容器》规定，有应力腐蚀的容器应进行消除应力热处理。应力腐蚀裂纹是指腐蚀介质和拉伸应力共同作用而发生的延迟破坏现象。

液氨储罐在卷制、焊接、接管开孔等制作过程中产生的残余应力与工作应力叠加，成为应力腐蚀的力学条件，根椐HG20581—1998《钢制化工容器材料选用规定》可知液氨应力腐蚀环境为同时具备下列两项条件：①介质为液态氨，含水量不高（≤0.2%）且有可能受空气（O2或CO2）污染的场合；②使用温度高于—5℃。空气中的O2、CO2都会促进液氨对罐壁材料的腐蚀。不论是气相或液相中，氨、O2与碳钢或低合金钢组成了应力腐蚀环境，产生应力腐蚀。在含O2的液氨中，钢表面吸附O2形成氧膜，这时腐蚀电位保持在正值，当材料受拉力产生应变后，膜被破坏，暴露出来的新鲜表面与有氧膜的金属表面组成微电池，产生快速溶解。而空气中的CO2则会导致全面腐蚀，其腐蚀机理为：

通过对各类液氨储罐的开罐检查发现，储罐内表面焊缝区的腐蚀裂纹比较严重，且多数出现在环焊缝上，裂纹断口没有塑性变形，呈现出典型的脆性裂纹特征。裂纹多数为浅而长的表面裂纹，且有明显的分支，主干裂纹与焊缝方向垂直，尤其在手工电弧焊的引弧处和收弧处、T型接头处及封头环缝与筒体纵焊缝交叉部位，裂纹更严重。磁粉检测发现，焊缝裂纹呈树枝状，主干裂纹多呈线性，分支较短，端部较尖锐，根部稍宽。应力腐蚀裂纹是造成液氨储罐破坏的主要原因，而焊后热处理是防止应力腐蚀裂纹的好办法。

液氨储罐压力容器安全技术措施

液氨储罐应装设安全阀、压力表、温度计等安全附件，且安全附件的选用及安装应符合《固定式压力容器安全技术监察规程》。采用合理的结构和焊接工艺。结构上应避免焊缝过多、过于集中，焊缝不对称、焊缝交叉和焊接顺序不合理等造成的应力集中。制造时应避免强力组焊，防止咬边、错边等缺陷，保证与介质接触的表面尽量光滑。对投入使用前的新储罐，应彻底清除里面的空气；在充装排料及检修等过程中，采取一定的措施避免带进任何空气。对大型储罐应连续冷凝氨蒸气，而不凝气体大部分是空气，应将其排出。对较小的设备用抽气或蒸腾除去储罐里面的空气。总之，消除储罐里的空气污染，可以有效地防止应力腐蚀。

新投用的储罐，应按规定进行内外部检验并进行周期性的定期检验。对液、气相界面、引收弧处及T型接头等易腐蚀部位应重点检验；对液面以下所有焊缝应进行100%磁粉或超声波检测，若条件允许，应对所有焊缝进行100%磁粉检测。对检验出的裂纹应进行评估。因应力腐蚀界限断裂韧度大约只有材料常规断裂韧度的1/5，所以应根椐断裂力学判据对裂纹进行安全等级评估，并给出处理意见及下次检验时间。对于不超过1/4壁厚和深度小于4mm的浅裂纹，先进行打磨处理后再进行补焊。补焊前应先预热加温以防止焊接硬化，焊接时宜采用低氢焊条，焊后进行探伤复查，并进行去应力处理。定期检测液氨浓度和含水率，发现水分低于临界浓度时应及时补充水分，使含水率始终保持在≥0.2%的范围，不符合液氨应力腐蚀环境，可有效地抑制液氨引起的应力腐蚀。

结论

在拉应力状态下，碳钢在被空气污染的液氨环境中很容易发生应力腐蚀破坏，所以液氨储罐应严格避免被空气污染。液氨储罐焊制完毕应进行消除应力热处理，以防止应力腐蚀裂纹产生导致储罐破裂。须控制液氨储罐充装量，以避免环境升温使储罐爆裂，充装系数应在图样上注明。

（作者单位： 天津海丰化纤织物有限公司）

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