Практическое руководство компании НАЛКО по анализу причин повреждения котлов Nalco Chemical Company

Коррозионное растрескивание под напряжением

Места преимущественной коррозии

В принципе коррозионное растрескивание под напряжением может про­изойти в любом месте, где одновременно присутстуют коррозионные веще­ства и созданы достаточно большие растягивающие напряжения. Благода­ря более совершенным программам водоподготовки и улучшенной конст­рукции котла появление трещин в результате щелочной коррозии под напряжением происходит не так часто, как это было много лет назад. Од­нако в водяных трубах, трубах пароперегревателя и промежуточного паро­перегревателя все еще иногда происходит коррозионное растрескивание под напряженней. Оно может также произойти в таких находящихся под напряжением деталях паросборника, как болты (Рис. 16.1).

Общие сведения

Термин коррозионное растрескивание под напряжением относится к разру­шению металла, вызванному синергическим взаимодействием растягиваю­щего напряжения и определенного коррозионного вещества, к которому ме­талл чувствителен. Растягивающие напряжения могут быть приложенными, в частности внутренним давлением, или остаточными (например, в сварных

Швах). В котельных системах углеродистая сталь особенно чувствительна к концентрированному гидроксиду натрия, а нержавеющая сталь и к концен­трированному гидроксиду натрия, и к концентрированным хлоридам.

Для коррозионного растрескивания под напряжением совсем не обяза­тельно мощное агрессивное воздействие на металл, и в действительности такое воздействие не сопровождается коррозионным растрескиванием. Совместное воздействие концентрированного гидроксида натрия, некото­рого количества растворенного диоксида кремния и растягивающих напря­жений будет приводить к образованию в углеродистой стали непрерывных межкристаллитных трещин (Рис. 16.2). При разрастании трещин проч­ность оставшегося целым металла уменьшается, и в определенный момент происходит образование хрупкого излома с толстыми краями.

Существуют два основных фактора, которые в условиях котла приводят к коррозионному растрескиванию под напряжением. Во-первых, металл в

Гивающих напряжений. Напряжения могут быть следствием действующих сил и/или остаточными. Во-вторых, должно произойти концентрирование на участке с металлом под напряжением специфичного коррозионного ве­щества. Для углеродистой стали это гидроксид натрия; для нержавеющей стали такими веществами могут быть гидроксид натрия или хлориды. (Концентрирование таких веществ может происходить вследствие создания любого из режимов, рассмотренных в главе 4 «Щелочная коррозия»). Кон­центрирование коррозионного вещества может также произойти в резуль­тате небольших утечек.

Случаи щелочного коррозионного растрескивания под напряжением в металле котла, работающего при температурах ниже 300°Ф (149°С), очень редки. Растрескивание может быть вызвано концентрациями гидроксида натрия всего лишь около 5%, а при концентрациях в пределах 20-40% рас­трескивание резко возрастает.

Идентификация коррозионного растрескивания под напряжением

Разрушения, вызванные коррозионным растрескиванием под напряжени­ем. независимо от степени пластичности металла всегда приводят к образо­ванию разрывов с толстоостенными гранями. Для таких трещин часто бы­вают характерны разветвления. Пока разрушение не произошло, коррози­онное растрескивание под напряжением трудно заметить невооруженным глазом, поскольку обычно образуются очень тонкие и узкие трещины. Ино­гда на месте возникновения трешин можно видеть признаки присутствия концентрированного гидроксида натрия в виде беловатых высокощелоч­ных отложений или кристаллического магнетита.

Предупреждение коррозионного растрескивания под напряжением

Для решения проблем, связанных с коррозионным растрескиванием под напряжением, необходимо взять под контроль растягивающие напряжения или процессы концентрирования коррозионных веществ.

Растягивающие напряжения могут быть созданы работающими агрега­тами или быть остаточными. Напряжения от работающих агрегатов, вклю­чая окружные напряжения, создает внутреннее давление, а напряжения при изгибе создают термические расширения и сжатия. Обычно окружные на­пряжения поддаются контролю с трудом, поскольку содержания веществ под давлением требуют основные функции котельных труб и другого обо­рудования. Однако напряжения при изгибе могут быть уменьшены или ус­транены путем изменения рабочих параметров или конструкции самого оборудования.

Термин остаточные напряжения относится к тем напряжениям, которые присуши самому металлу. Они являются результатом таких процессов изго­товления, как сварка швов или югибание труб. Остаточные окружные напря­жения могут также сохраниться после процесса их изготовления. Эти напря­жения могут быть снижены путем применения правильных методов отжига.

Наиболее эффективным способом уменьшения или исключения корро­зионного растрескивания под напряжением является предотвращение об­разования концентрированных коррозионных веществ. Первыми шагами должны стать предупреждение кризиса пузырькового кипения, борьба с об­разованием на внутренних поверхностях значительных отложений и с об­разованием линий пара и воды в компонентах обрудования, принимаю­щих большие тепловые потоки. Прочие меры могут состоять в предотвра­щении утечек солей, создающих щелочную среду, из конденсаторов, тепло­обменников, технологических линий и систем деминерализации со щелоч­ной регенерацией; в предотвращении загрязнения воды, вводимой для уст­ранения перегрева и для охлаждения, щелочными веществами или хлорида­ми; в предотвращении уноса котловой воды.

Для уменьшения коррозионного растрескивания под напряжением вполне успешным оказалось применение ингибиторов, в частности нитра­та натрия или комбинация нитрата натрия с одним из множества органи­ческих веществ. Может оказаться полезной также и координированная фо­сфатная программа водоподготовки, которая разработана для предотвра­щения образования свободного гидроксида натрия.

Меры предосторожности

Трещины, образующиеся при коррозии под напряжением, обычно трудно идентифицировать при визуальном осмотре. Присутствие таких трещин можно обнаружить с помощью цветной и магнитно-порошковой дефект о­скопии и ультразвукового обследования подозреваемых зон. С учетом того факта, ч, то эти трещины обычно очень узки, должно быть увеличено время пребывания веществ, применяемых при цветной дефектоскопии.

Понятно, что коррозионное растрескивание под напряжением можно принять за другие виды растрескивания с образованием изломов с толсты­ми краями, например за повреждения под действием водорода, коррозион­ной усталости, ползучести и некоторых видов серьезного перегрева. Для подтверждения диагноза коррозионного растрескивания под напряжением необходимо металлографическое обследование.

Сопутствующие проблемы

См. также раздел, озаглавленный «Разрушение при ползучести», в главе 2 («Длительный перегрев»), главу 3 («Кратковременный перегрев»), главу 14 («Повреждение под действием водорода») и главу 15 («Коррозионно-уста - лостное растрескивание»).

Целлюлозно-бумажная

Линия подачи пара в систему обдувки сажи

(котел-утилизатор)

Вертикальная

15

Удаление кислорода

400 фунт/кв. дюйм (2,8 МПа)

Наружный диаметр 2 3/8 дюйма (60 мм),

1л 29 ООО фунт/кв. дюйм (200 МПа). Эти • ми напряжениями, создан) . . > действовали синергнчески с хлоридами.

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 16.2

Промышленность: Целлюлозно-бумажная

Местоположение образца: Экономайзер Ориентация образца: Изгиб

Срок службы, годы: 15

Программа водоочистки: Фосфатная

800 фунт/кв. дюйм (5,5 МПа) Наружный диаметр 2 дюйма (51 м

На участке трубы экономайзера, имеющем в середине изгиб под углом 90. видна па­ра трещин с толстыми краями, расположенных на противоположных сторонах тру­бы (Рис. I6.4). Труба в месте изгиба имела не круглое, а скорее овальное сечение, и трещины распола|-ались на противоположных концах длинной оси овала.

На внутренней поверхности была образована неглубокая зона значительного разрушения металла. С данной коррозией связывают появление блестящих кристал­лов черного магнетита.

Микроструктурные исследования показали, что трещины начинались на дне не­глубоких коррозионных раковин. По мерс того как трещины распространялись че­рез стенку трубы, они разветвлялись. Трещины в основном проходили через крис­таллиты металла (транекристаллитное проникновение).

Для коррозионного растрескивания иол напряжением в углеродистых сталях не­обходимо совместное действие концентрированного гидроксида натрия и растягива­ющих напряжений. По-видимому, концентрирование гидроксида натрия происходи­ло под пористым слоем отложений оксида железа, который присутствовал на внут­ренней поверхности. О воздействии концентрированного гидроксида натрия свиде­тельствует наличие кристаллического магнетита. Неглубокие раковины выполняли роль концентраторов напряжений, повышающих нормальный уровень напряжении. Кроме того, напряжения от внутреннего давления оказались максимальными в на­правлении меньшей оси поперечного сечения овала, где и возникли трещины. Про­дольная ориентация трещины показывает, что напряжения, необходимые для появ-

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 16.3

Шлюлозно-бумажная Местоположение образца: Пароперегреватель (котел-утилизатор) тация образца: Вертикальная

Промышленность:

Давление в барабане: Характеристики труб:

Средство обогрева:

Координированная фосфатная 1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа) Наружный диаметр 2 дюйма (51 нержавеющая сталь 304 Черный щелок

В секции пароперегревателя котла часто происходили разрушения вида, показан­ного на Рис. 16,5 и 16.6. Видны тонкие трещины, расположенные рядом и параллель­но сварному шву. На Рис. 16.6 видно ветвление трещины на поверхности.

Микросгруктурные обследования позволили обнаружить разветвленные тре­щины. проходящие через кристаллы (транскристаллнтные трещины), образование которых начиналось на внутренней поверхности. Трещины были сосредоточены в

Это разрушение стало следствием щелочного коррозионного растрескивания под напряжением. Источником гидроксида натрия, по-видимому, был унос из паро­сборника. Напряжения были остаточными, сохранившимися от сварки, как показы­вает характер кольцевого распросгранеин трещин по трубе и близость их к сварно­му шву. Трещины от напряжений, создаваемых внутренним давлением, были бы на­правлены вдоль трубы.

Промышленность: Нефтехимическая

Местоположение образца: Пароперегреватель (первая ступень) Ориентация образца: Вертикальная

Срок службы: 3 недели

Программа водообработки: Фосфатная Давление в барабане: 600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа) Характеристики труб: Наружный диаметр 1,5 дюйма (38 mi

Нержавек

Средство обогрева: Отходящк

Труба, показанная на Рис. 16.7. - одна из многочисленных труб, которые были по­вреждены в этом котле. Во время монтажа трубы подвергали умеренной холодной гибке без отжига для усгранения остаточных напряжений. Паросборник не был обо­рудован соответствующими устройствами для разделения пара и воды, и часто про­исходили колебания нагрузки, которые, возможно, вызвали унос котловой воды.

Микроструктурный анализ позволил обнаружить кристаллиты, подвергшиеся пластической деформации в результате холодной гибки. Трещины были сильно разветвлены и проходили между кристаллитами (межкристаплитные трещины) сквозь стенку трубы. Вначале они появились на внутренней поверхности.

Источником напряжений в этом случае были остаточные напряжения от опера­ции гибки. Это видно из ориентации трещин по окружности, их расширения и бли­зости к изогнутым участкам трубы. Коррозионным агентом был гидроксид натрия.

Данный пример из практики свидетельствует о важности понимания механиз­ма аварий и эксплуатационных характеристик материалов. В котле, работающем при указанном давлении, трубы пароперегревателя из нержавеющей стали применя­ются очень редко. По традиции применяли трубы из углеродистой стали, которые растрескивались после 9 месяцев эксплуатации. Меры по продлению срока службы были предприняты в два этапа. Во-первых, вместо труб из углеродистой стали нача­ли применять трубы из нержавеющей стали. Во-вторых, в трубах были выполнены умеренные изгибы - очевидно, для ослабления напряжений при гермичесом расши­рены и сжатии, которые приводили к растрескиванию труб из углеродистой стали.

Стали, они также чувствительны к щелочному коррозионному растрескиванию под напряжением. Кроме того, изгибы, выполненные в трубах для снижения термичес­ких напряжений, привели к созданию вместо них остаточных напряжений. Трубы из нержавеющей стали разрушились через 3 педели.