2015年亚洲杯氧化铝厂碱液管道碱脆泄漏原因及预防探讨-CPEC承压设备专委会
氧化铝厂碱液管道碱脆泄漏原因及预防探讨-CPEC承压设备专委会
摘要：氧化铝生产中，碱液管道碱脆泄漏成为制约拜耳法氧化铝生产工艺的瓶颈。通过对某大型氧化铝厂碱液管线现场调研郁达夫传奇，发现泄漏部位多位于焊缝部位；对失效部位部分焊缝进行了表面探伤、金相及硬度检测等试验研究。结果表明，裂纹宏观上呈平直状，而微观上则呈曲线状。裂纹起裂部位主要在焊缝熔合线，裂纹垂直于焊缝方向，多数向焊缝延伸，甚至贯穿母材，少部分裂纹从熔合线向母材扩展；碱脆产生的主要原因一是熔合线处结构和组织的不连续，二是焊缝硬度偏高导致的高残余应力原力掌控者。该研究不仅为企业检维修的施工提供了理论借鉴和指导，对进一步深入研究碱脆的损伤机理也具有参考意义。
关键词：碱液管道；碱脆；泄漏；裂纹；预防措施
0、引言
自上世纪90年代国内引进拜耳法氧化铝生产技术以来，由于其能耗低、流程短、产品质量高等优点受到青睐[1]，已经成为国内氧化铝生产主流工艺。拜耳法又称苛性碱化学浸出法，是直接用含有大量游离的NaOH的循环母液，处理铝土矿，以溶出其中的Al2O3而获得铝酸钠溶液[2]，碱液是其中必不可少的原料，而目前生产中发现的碱液管线频繁碱脆开裂泄漏现象成为多年来困扰相关企业的大难题，不仅降低生产效率，还严重威胁到人身安全，所以对管线失效原因进行深入分析和研究显得尤为必要。另外探究此类碱液管道失效机理，对环境保护也具有积极意义。多次对某大型氧化铝厂进行现场调研，与企业相关技术人员沟通，共调查8个装置157条碱液管线蔚迟恭，发现泄漏点235处，其中位于弯头、法兰等管件对接焊缝处泄漏点169处，位于管件本体的泄漏点42处，位于直管段对接焊缝处泄漏点13处，位于法兰密封面泄漏点11处。为探究管道碱脆泄漏原因韩传忠，选取典型管线进行分析试验。
1、碱脆失效现象
某大型氧化铝厂溶出装置中一条自碱液预热器至混合器的管道，规格为Φ203×10，材质为20钢，介质为循环碱液，碱液浓度Nk245g/L，工作压力5.5MPa，工作温度260℃，于2017年5月投入运行。该管线安装时宏观检查、无损检测、耐压试验、试运行均合格，投用3个月后发现管道外表面弯头焊缝（见图1-(a)）、法兰对接焊缝处出现14处碱泄漏结晶（见图1-(b),(c)），一些法兰本体、阀门阀体及弯头部位也产生泄漏结晶（见图1-c，d），造成装置紧急停车。为此企业成立专业堵漏小组，清洗小组，给企业增加了生产成本。初步认为造成泄漏的原因是焊接工艺不当。为进一步探究焊缝部位泄漏原因，选用图1-(a)弯头为研究对象，进行系列试验深入分析。
图1 碱液管线泄漏典型部位
Fig.1 Typical leakage sites of alkaline pipeline
2、试验研究与结果
2.1、资料审查
为验证相关试验数据，进行检测前进一步查阅了相关资料娄晗。资料显示：管材交货状态为正火，管件交货状态为正火，焊接工艺为氩电联焊，焊条牌号为：J507，焊后未进行热处理。
2.2、宏观检查及表面探伤
对图1-(a)中弯头焊缝进行宏观检查后发现，焊缝上存在6处泄漏点，5处位于焊缝熔合线部位。并且由碱结晶形状可以看出，焊缝已存在穿透性裂纹（见图2-(a)），对表面清理除锈后宏观形貌如图所示（见图2-(b)），裂纹形状已宏观可见。通过磁粉检测发现焊缝上存在6条垂直于焊缝最长40mm横向裂纹，5条裂纹已延伸至母材，裂纹宏观形貌较为平直清末英雄，无明显分叉（见图2-(c),(d)），采用MX-5超声波测厚仪进行壁厚测量，未发现明显减薄，为进一步分析失效原因，割取该管段进行了光谱检测、硬度检测和金相检测。
图2焊缝磁粉探伤前后裂纹形貌
Fig.2 The crack morphology before and after weldmagnetic particle inspection
2.3光谱和硬度检测
采用光谱仪（型号XL-2800）对母材和焊缝进行光谱检测，结果表明，母材及焊缝化学成分符合相关标准要求。
硬度测试仪（型号HT-2000）对取样部位焊缝、熔合线、母材进行了硬度测试，结果表明，泄漏部位焊缝硬度值普遍偏高，均在200HB以上，最高达到220HB；泄漏部位焊缝熔合线硬度值普遍在160~180HB之间，而母材硬度值120~130HB之间基本正常。
2.4金相检测
如图3所示部位选取一条从焊缝向母材延伸的裂纹进行金相检测，对所选区域进行磨制抛光，并用5%硝酸酒精进行腐蚀，而后采用奥林巴斯金相显微镜进行观察，主要观察金相组织及裂纹微观形貌特征，图3-(a)为距焊缝较远处母材组织间谍迷城，可以看出，母材存在明显组织偏析情况，有明显的黑色偏析带，偏析带组织为珠光体，图中白色区域为铁素体组织。图3-(b)为裂纹末端放大100倍的微观形貌，裂纹的末端位于母材上，2015年亚洲杯裂纹主干较粗，裂纹由焊缝向母材方向逐渐变细，且微观形貌曲折不平，由此可判断裂纹由焊缝向母材扩展，主裂纹中可以观察到存在晶蔟状腐蚀产物，由于裂纹粗大，无法判断裂纹的扩展是穿晶或是沿晶。对裂纹末端进一步放大进行观察，可以判断裂纹为沿晶扩展，如图3-(c)，为裂纹末端放大500倍的微观形貌。如图3-(d)为裂纹靠近焊缝处放大100倍的微观形貌，可以发现雷克小流氓，该条裂纹起裂位置是从焊缝的熔合线附近开始，裂纹延伸至母材终止。从裂纹微观形貌来看，可以判断裂纹为碱应力腐蚀裂纹[3]。
图3泄漏部位焊缝金相组织及裂纹微观形貌
Fig.3Linescananalysis of the jointwith foil attemperature 550℃
3、碱脆泄漏原因讨论及预防
3.1碳钢和部分合金钢的碱应力腐蚀开裂
碳钢及部分合金钢在碱液中的腐蚀过程，实质就是金属与周围介质作用转变成金属化合物的过程，由于发生了阴极过程的氧去极化反应，化合价为零且电位较低的金属受到介质中氧化剂的作用而被氧化成正价离子，到腐蚀产物中去，从而破坏了材料的特性[4]。
应力腐蚀开裂（简称SCC)是指金属结构在特定腐蚀环境（包括介质、浓度、温度等因素）和拉应力共同作用下发生的开裂。有敏感材料、特定腐蚀环境、拉应力三个基本条件楼兰绘梦，当条件缺失时，则不会引起应力腐蚀开裂[5]。应力腐蚀开裂是危害最大的局部腐蚀破坏形态之一哭砂吉他谱。材料可以在没有明显征兆的情况下几分钟内破裂。在腐蚀过程中老哥救命啊 ，一旦形成应力微裂纹，其扩展速度比其他类型的局部腐蚀速率要快几个数量级，可以在几小时内穿透管道和设备。所以称应力腐蚀开裂是一种“灾难性的腐蚀”[6]，碳钢在碱液中的应力腐蚀开裂通常被称为“碱脆”。碳钢和部分合金钢的碱应力腐蚀开裂与碱液浓度和温度之间的关系见图4所示[5]，实际上，碱浓度超过5%时开裂就可能发生，碱浓度愈高，温度愈高，开裂敏感性就愈高。反之，碱液的浓度愈低，温度愈低，应力腐蚀开裂发生的可能性就愈小。
图4碱应力腐蚀开裂与碱液浓度和温度之间的关系
Fig.4Relationship between alkali stress corrosion cracking and alkali concentrationand temperature
3.2 氧化铝厂碱液管道失效原因分析
对于研究的该氧化铝生产企业，管道碱脆泄漏部位主要是位于管道与弯头、法兰等管件连接的对接焊缝上，少部分发生在这些管件本体。
对于焊缝上的泄漏，经过表面磁粉探伤及金相检测，见图2-(c)和图3，可以发现，裂纹宏观上呈平直特征，而微观则曲折不平，裂纹起裂部位主要在焊缝熔合线，少数起裂点位于焊缝上，而实际上泄漏点主要位于焊缝熔合线附近（见图2-(a)）宁虹雯，正好验证了这一点。磁粉检测发现多条垂直于焊缝方向的横向裂纹，多数向焊缝延伸，甚至贯穿母材，少部分裂纹从熔合线向母材扩展。根据碱应力腐蚀开裂产生需要满足的三个条件盈滢，英巴图即敏感材料、较高浓度和温度的碱液、拉应力。首先20钢属于低碳钢，属于碱脆敏感材料，其次，泄漏部位焊缝及熔合线部位硬度均偏高，因此会存在较高的焊接残余应力张俐娜，为拉应力超过材料临界许用应力提供了条件；而焊缝（特别是熔合线处）与母材存在结构和金相组织的不连续第一宠姬，对于20钢，熔合线处属于焊接接头的过热区，魏氏组织在所难免，粗大魏氏组织的存在会加速碱液的腐蚀速率，而熔合线微观是凸凹不平的，局部的微观小坑可能会导致碱液浓缩达到碱应力腐蚀所需的浓度，而由于焊接工艺不当熔合线处还可能存在未焊透、未熔合、咬边等焊接缺陷，造成更严重的结构不连续，更会有利于碱液在此处的浓缩及应力集中的产生。故碱脆产生的主要原因一是熔合线处结构和组织的不连续，二是焊缝硬度偏高导致的高残余应力。
3.3预防措施
1）材质优选优化
不同腐蚀环境中易产生应力腐蚀开裂的敏感材料是不同的，只有敏感材料用在特定腐蚀环境中加上应力作用才易产生应力腐蚀开裂韩芝俊。设计中尽量避开典型的应力腐蚀组合，例如“奥氏体不锈钢+含氯离子溶液”“碳钢+碱溶液”等，可以通过选用蒙乃尔合金来规避应力腐蚀开裂[7]，但这又会增加成本，可以考虑只在工况恶劣或经常泄漏部位选用这些耐蚀材料。
2）避免设计应力
在碱液管道和设备的设计阶段应尽可能降低最大有效应力，将最大有效应力降低到临界值以下，例如：选用长直段弯头，长颈对焊法兰，增大曲率半径，避免插入焊和直角结构，使结构应力尽量均匀分布，尽量减少异种钢焊接和角接以降低残余应力。对于高温管道，还应考虑合理释放高温工况下的热应力。
3）消除残余应力和避免焊接缺陷
焊接时严格遵守焊接工艺，提高焊缝的对口组对精度，避免各类焊接缺陷的产生，建议碱液管道进行焊后去应力热处理。
4）企业高度重视
对企业所购入管件质量严格把关，管线运行中对工艺参数应严加控制，避免碱液温度和浓度偏高，加强巡线，对泄漏部位切勿带压堵漏，因为带压焊接会使碱液浓度瞬间升高纨绔纵横，并形成新的应力集中部位，从而又产生新的碱脆现象。
4、结语
1）管道碱脆泄漏部位主要位于管道与弯头、法兰等管件连接的对接焊缝上，少部分发生在这些管件本体铃木美妃。
2）泄漏处焊缝裂纹起裂部位主要在熔合线唯一剑宗，裂纹宏观上呈平直状，而微观则呈曲折状。碱脆产生的主要原因一是熔合线处结构和组织的不连续，二是焊缝硬度偏高导致的高残余应力。
3）预防碱脆的关键在于严格控制焊接工艺，避免焊接缺陷妖街皇后，进行焊后热处理，降低焊接残余应力，避免焊缝硬度过高。
摘要：氧化铝生产中，碱液管道碱脆泄漏成为制约拜耳法氧化铝生产工艺的瓶颈。通过对某大型氧化铝厂碱液管线现场调研郁达夫传奇，发现泄漏部位多位于焊缝部位；对失效部位部分焊缝进行了表面探伤、金相及硬度检测等试验研究。结果表明，裂纹宏观上呈平直状，而微观上则呈曲线状。裂纹起裂部位主要在焊缝熔合线，裂纹垂直于焊缝方向，多数向焊缝延伸，甚至贯穿母材，少部分裂纹从熔合线向母材扩展；碱脆产生的主要原因一是熔合线处结构和组织的不连续，二是焊缝硬度偏高导致的高残余应力原力掌控者。该研究不仅为企业检维修的施工提供了理论借鉴和指导，对进一步深入研究碱脆的损伤机理也具有参考意义。
关键词：碱液管道；碱脆；泄漏；裂纹；预防措施
0、引言
自上世纪90年代国内引进拜耳法氧化铝生产技术以来，由于其能耗低、流程短、产品质量高等优点受到青睐[1]，已经成为国内氧化铝生产主流工艺。拜耳法又称苛性碱化学浸出法，是直接用含有大量游离的NaOH的循环母液，处理铝土矿，以溶出其中的Al2O3而获得铝酸钠溶液[2]，碱液是其中必不可少的原料，而目前生产中发现的碱液管线频繁碱脆开裂泄漏现象成为多年来困扰相关企业的大难题，不仅降低生产效率，还严重威胁到人身安全，所以对管线失效原因进行深入分析和研究显得尤为必要。另外探究此类碱液管道失效机理，对环境保护也具有积极意义。多次对某大型氧化铝厂进行现场调研，与企业相关技术人员沟通，共调查8个装置157条碱液管线蔚迟恭，发现泄漏点235处，其中位于弯头、法兰等管件对接焊缝处泄漏点169处，位于管件本体的泄漏点42处，位于直管段对接焊缝处泄漏点13处，位于法兰密封面泄漏点11处。为探究管道碱脆泄漏原因韩传忠，选取典型管线进行分析试验。
1、碱脆失效现象
某大型氧化铝厂溶出装置中一条自碱液预热器至混合器的管道，规格为Φ203×10，材质为20钢，介质为循环碱液，碱液浓度Nk245g/L，工作压力5.5MPa，工作温度260℃，于2017年5月投入运行。该管线安装时宏观检查、无损检测、耐压试验、试运行均合格，投用3个月后发现管道外表面弯头焊缝（见图1-(a)）、法兰对接焊缝处出现14处碱泄漏结晶（见图1-(b),(c)），一些法兰本体、阀门阀体及弯头部位也产生泄漏结晶（见图1-c，d），造成装置紧急停车。为此企业成立专业堵漏小组，清洗小组，给企业增加了生产成本。初步认为造成泄漏的原因是焊接工艺不当。为进一步探究焊缝部位泄漏原因，选用图1-(a)弯头为研究对象，进行系列试验深入分析。
图1 碱液管线泄漏典型部位
Fig.1 Typical leakage sites of alkaline pipeline
2、试验研究与结果
2.1、资料审查
为验证相关试验数据，进行检测前进一步查阅了相关资料娄晗。资料显示：管材交货状态为正火，管件交货状态为正火，焊接工艺为氩电联焊，焊条牌号为：J507，焊后未进行热处理。
2.2、宏观检查及表面探伤
对图1-(a)中弯头焊缝进行宏观检查后发现，焊缝上存在6处泄漏点，5处位于焊缝熔合线部位。并且由碱结晶形状可以看出，焊缝已存在穿透性裂纹（见图2-(a)），对表面清理除锈后宏观形貌如图所示（见图2-(b)），裂纹形状已宏观可见。通过磁粉检测发现焊缝上存在6条垂直于焊缝最长40mm横向裂纹，5条裂纹已延伸至母材，裂纹宏观形貌较为平直清末英雄，无明显分叉（见图2-(c),(d)），采用MX-5超声波测厚仪进行壁厚测量，未发现明显减薄，为进一步分析失效原因，割取该管段进行了光谱检测、硬度检测和金相检测。
图2焊缝磁粉探伤前后裂纹形貌
Fig.2 The crack morphology before and after weldmagnetic particle inspection
2.3光谱和硬度检测
采用光谱仪（型号XL-2800）对母材和焊缝进行光谱检测，结果表明，母材及焊缝化学成分符合相关标准要求。
硬度测试仪（型号HT-2000）对取样部位焊缝、熔合线、母材进行了硬度测试，结果表明，泄漏部位焊缝硬度值普遍偏高，均在200HB以上，最高达到220HB；泄漏部位焊缝熔合线硬度值普遍在160~180HB之间，而母材硬度值120~130HB之间基本正常。
2.4金相检测
如图3所示部位选取一条从焊缝向母材延伸的裂纹进行金相检测，对所选区域进行磨制抛光，并用5%硝酸酒精进行腐蚀，而后采用奥林巴斯金相显微镜进行观察，主要观察金相组织及裂纹微观形貌特征，图3-(a)为距焊缝较远处母材组织间谍迷城，可以看出，母材存在明显组织偏析情况，有明显的黑色偏析带，偏析带组织为珠光体，图中白色区域为铁素体组织。图3-(b)为裂纹末端放大100倍的微观形貌，裂纹的末端位于母材上，2015年亚洲杯裂纹主干较粗，裂纹由焊缝向母材方向逐渐变细，且微观形貌曲折不平，由此可判断裂纹由焊缝向母材扩展，主裂纹中可以观察到存在晶蔟状腐蚀产物，由于裂纹粗大，无法判断裂纹的扩展是穿晶或是沿晶。对裂纹末端进一步放大进行观察，可以判断裂纹为沿晶扩展，如图3-(c)，为裂纹末端放大500倍的微观形貌。如图3-(d)为裂纹靠近焊缝处放大100倍的微观形貌，可以发现雷克小流氓，该条裂纹起裂位置是从焊缝的熔合线附近开始，裂纹延伸至母材终止。从裂纹微观形貌来看，可以判断裂纹为碱应力腐蚀裂纹[3]。
图3泄漏部位焊缝金相组织及裂纹微观形貌
Fig.3Linescananalysis of the jointwith foil attemperature 550℃
3、碱脆泄漏原因讨论及预防
3.1碳钢和部分合金钢的碱应力腐蚀开裂
碳钢及部分合金钢在碱液中的腐蚀过程，实质就是金属与周围介质作用转变成金属化合物的过程，由于发生了阴极过程的氧去极化反应，化合价为零且电位较低的金属受到介质中氧化剂的作用而被氧化成正价离子，到腐蚀产物中去，从而破坏了材料的特性[4]。
应力腐蚀开裂（简称SCC)是指金属结构在特定腐蚀环境（包括介质、浓度、温度等因素）和拉应力共同作用下发生的开裂。有敏感材料、特定腐蚀环境、拉应力三个基本条件楼兰绘梦，当条件缺失时，则不会引起应力腐蚀开裂[5]。应力腐蚀开裂是危害最大的局部腐蚀破坏形态之一哭砂吉他谱。材料可以在没有明显征兆的情况下几分钟内破裂。在腐蚀过程中老哥救命啊 ，一旦形成应力微裂纹，其扩展速度比其他类型的局部腐蚀速率要快几个数量级，可以在几小时内穿透管道和设备。所以称应力腐蚀开裂是一种“灾难性的腐蚀”[6]，碳钢在碱液中的应力腐蚀开裂通常被称为“碱脆”。碳钢和部分合金钢的碱应力腐蚀开裂与碱液浓度和温度之间的关系见图4所示[5]，实际上，碱浓度超过5%时开裂就可能发生，碱浓度愈高，温度愈高，开裂敏感性就愈高。反之，碱液的浓度愈低，温度愈低，应力腐蚀开裂发生的可能性就愈小。
图4碱应力腐蚀开裂与碱液浓度和温度之间的关系
Fig.4Relationship between alkali stress corrosion cracking and alkali concentrationand temperature
3.2 氧化铝厂碱液管道失效原因分析
对于研究的该氧化铝生产企业，管道碱脆泄漏部位主要是位于管道与弯头、法兰等管件连接的对接焊缝上，少部分发生在这些管件本体。
对于焊缝上的泄漏，经过表面磁粉探伤及金相检测，见图2-(c)和图3，可以发现，裂纹宏观上呈平直特征，而微观则曲折不平，裂纹起裂部位主要在焊缝熔合线，少数起裂点位于焊缝上，而实际上泄漏点主要位于焊缝熔合线附近（见图2-(a)）宁虹雯，正好验证了这一点。磁粉检测发现多条垂直于焊缝方向的横向裂纹，多数向焊缝延伸，甚至贯穿母材，少部分裂纹从熔合线向母材扩展。根据碱应力腐蚀开裂产生需要满足的三个条件盈滢，英巴图即敏感材料、较高浓度和温度的碱液、拉应力。首先20钢属于低碳钢，属于碱脆敏感材料，其次，泄漏部位焊缝及熔合线部位硬度均偏高，因此会存在较高的焊接残余应力张俐娜，为拉应力超过材料临界许用应力提供了条件；而焊缝（特别是熔合线处）与母材存在结构和金相组织的不连续第一宠姬，对于20钢，熔合线处属于焊接接头的过热区，魏氏组织在所难免，粗大魏氏组织的存在会加速碱液的腐蚀速率，而熔合线微观是凸凹不平的，局部的微观小坑可能会导致碱液浓缩达到碱应力腐蚀所需的浓度，而由于焊接工艺不当熔合线处还可能存在未焊透、未熔合、咬边等焊接缺陷，造成更严重的结构不连续，更会有利于碱液在此处的浓缩及应力集中的产生。故碱脆产生的主要原因一是熔合线处结构和组织的不连续，二是焊缝硬度偏高导致的高残余应力。
3.3预防措施
1）材质优选优化
不同腐蚀环境中易产生应力腐蚀开裂的敏感材料是不同的，只有敏感材料用在特定腐蚀环境中加上应力作用才易产生应力腐蚀开裂韩芝俊。设计中尽量避开典型的应力腐蚀组合，例如“奥氏体不锈钢+含氯离子溶液”“碳钢+碱溶液”等，可以通过选用蒙乃尔合金来规避应力腐蚀开裂[7]，但这又会增加成本，可以考虑只在工况恶劣或经常泄漏部位选用这些耐蚀材料。
2）避免设计应力
在碱液管道和设备的设计阶段应尽可能降低最大有效应力，将最大有效应力降低到临界值以下，例如：选用长直段弯头，长颈对焊法兰，增大曲率半径，避免插入焊和直角结构，使结构应力尽量均匀分布，尽量减少异种钢焊接和角接以降低残余应力。对于高温管道，还应考虑合理释放高温工况下的热应力。
3）消除残余应力和避免焊接缺陷
焊接时严格遵守焊接工艺，提高焊缝的对口组对精度，避免各类焊接缺陷的产生，建议碱液管道进行焊后去应力热处理。
4）企业高度重视
对企业所购入管件质量严格把关，管线运行中对工艺参数应严加控制，避免碱液温度和浓度偏高，加强巡线，对泄漏部位切勿带压堵漏，因为带压焊接会使碱液浓度瞬间升高纨绔纵横，并形成新的应力集中部位，从而又产生新的碱脆现象。
4、结语
1）管道碱脆泄漏部位主要位于管道与弯头、法兰等管件连接的对接焊缝上，少部分发生在这些管件本体铃木美妃。
2）泄漏处焊缝裂纹起裂部位主要在熔合线唯一剑宗，裂纹宏观上呈平直状，而微观则呈曲折状。碱脆产生的主要原因一是熔合线处结构和组织的不连续，二是焊缝硬度偏高导致的高残余应力。
3）预防碱脆的关键在于严格控制焊接工艺，避免焊接缺陷妖街皇后，进行焊后热处理，降低焊接残余应力，避免焊缝硬度过高。