鈦調(diào)節(jié)閥腐蝕分析

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之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹由于鈦制設(shè)備具有良好的耐腐蝕性，寶鋼化工分公司煤氣脫硫希羅裝置的反應(yīng)塔、換熱器、調(diào)節(jié)閥和切斷閥等關(guān)鍵設(shè)備都使用了鈦制設(shè)備。在2004年10月之前，這些鈦制設(shè)備運(yùn)行狀況良好。但從2004年10月至2005年8月，鈦制設(shè)備受到了腐蝕，其中減壓調(diào)節(jié)閥LCV-2203的腐蝕損壞為嚴(yán)重，每次損壞都需要停車更換，給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的影響。
1希羅裝置工藝簡介
希羅裝置是焦?fàn)t煤氣塔希脫硫法的一部分，在中國僅在寶鋼有1套，在世界上也不多，其作用是將NH4CNS、（NH3）2S2O3等低價(jià)硫的化合物進(jìn)行濕式氧化，使這些成分轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的（NH3）2SO4。工藝流程如圖1所示，從塔克裝置過來含有NH4CNS、（NH3）2S2O3等低價(jià)硫化物的氧化液流至原料槽，在原料槽中加入緩蝕劑硝酸和氨水蒸餾送來的濃氨水配成原料液。用原料泵抽出的原料液（同時(shí)用壓縮機(jī)將高壓空氣壓入原料液中）經(jīng)換熱和加熱進(jìn)入反應(yīng)塔的底部，在反應(yīng)塔內(nèi)發(fā)生如下反應(yīng)：

反應(yīng)塔上部排出的反應(yīng)液經(jīng)冷卻器送到硫銨裝置，反應(yīng)塔頂部排出氣體經(jīng)處理后排放。調(diào)解閥LCV-2203就裝在冷卻器后的管道上。調(diào)節(jié)閥的殼體試驗(yàn)是對閥體和閥蓋等聯(lián)結(jié)而成的整個(gè)閥門外殼進(jìn)行的壓力試驗(yàn)。其目的是檢驗(yàn)閥體和閥蓋的致密性及包括閥體與閥蓋聯(lián)結(jié)處在內(nèi)的整個(gè)殼體的耐壓能力。每臺閥門出廠前均應(yīng)進(jìn)行殼體試驗(yàn)。在殼體試驗(yàn)之前，不允許對閥門涂漆或使用其他防止?jié)B漏的涂層。但允許進(jìn)行無密封作用的化學(xué)防銹處理及給襯里閥門襯里。如果用戶抽查庫存閥門，則不再除掉已有涂層。
    在試驗(yàn)過程中，不得對閥門施加影響試驗(yàn)結(jié)果的外力。試驗(yàn)壓力在保壓和檢測期間應(yīng)維持不變。用液體作試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量排除閥門體腔內(nèi)的氣體。在達(dá)到保壓時(shí)間后，殼體（包括填料函及閥體與閥蓋連接處）不得發(fā)生滲漏或引起結(jié)構(gòu)損傷。
    殼體試驗(yàn)的方法和步驟：封閉閥門進(jìn)口和出口，壓緊填料壓蓋，使啟閉件處于部分開啟位置；給體腔充滿試驗(yàn)介質(zhì)，并逐漸加壓到試驗(yàn)壓力（止回閥類應(yīng)從進(jìn)口端加壓）；達(dá)到規(guī)定時(shí)間后，檢查殼體（包括填料函及閥體與閥蓋聯(lián)接處）是否有滲漏。
殼體試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)介質(zhì)、試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)短持續(xù)時(shí)間及允許滲漏率見表

2調(diào)節(jié)閥的損壞情況

圖1 工藝流程圖圖2 腐蝕后閥芯閥座的外觀圖

圖3 腐蝕后閥芯、閥座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
對于調(diào)節(jié)閥來說，關(guān)鍵的部件是閥芯和閥座。如果這兩個(gè)部件受到損壞，調(diào)節(jié)閥的流量特性和功能就會受到影響。圖2是1臺已腐蝕損壞的調(diào)節(jié)閥的外觀圖，圖3是閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。這臺調(diào)節(jié)閥擁有4級串聯(lián)的減壓構(gòu)件，流體介質(zhì)從閥座中部的孔流入，經(jīng)過4級節(jié)流減壓后，從閥座B處的導(dǎo)向環(huán)上的孔流出。閥芯的材質(zhì)是TA2，閥座的材質(zhì)是Ti-0.2Pd。
調(diào)節(jié)閥的閥芯和閥座受到腐蝕損壞后，在生產(chǎn)過程中的表現(xiàn)是在工藝操作參數(shù)不變的情況下，調(diào)節(jié)閥的工作開度下降較快。當(dāng)調(diào)節(jié)閥的工作開度小于20%時(shí)，閥的調(diào)節(jié)能力不能滿足生產(chǎn)要求，需要更換調(diào)節(jié)閥。
對損壞的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行解體檢查，閥芯閥座損壞情況見表1。
表1 調(diào)節(jié)閥腐蝕損壞情況

2004年10月至2005年8月是調(diào)節(jié)閥腐蝕損壞嚴(yán)重的階段，此后對調(diào)節(jié)閥的制作進(jìn)行了一些改進(jìn)，生產(chǎn)工藝也作了一些調(diào)整，調(diào)節(jié)閥腐蝕的速率有所緩解。
3腐蝕原因分析
3.1 閥芯的斷裂原因分析
在進(jìn)口的兩臺調(diào)節(jié)閥中，閥芯出現(xiàn)了斷裂。在調(diào)節(jié)閥解體檢查中，發(fā)現(xiàn)閥座和導(dǎo)向圈上都有螺紋，說明這兩個(gè)部件是通過螺紋來連接的。螺紋很細(xì)，牙高很低，螺紋面較均勻，可推斷該螺紋是受到了腐蝕而變小變平的，當(dāng)螺紋小到一定的程度后，使導(dǎo)向圈與閥座連接產(chǎn)生了松動，同時(shí)由于導(dǎo)向圈又受到流體的向下沖擊，使導(dǎo)向圈從閥座脫落。導(dǎo)向圈與閥座脫落后，閥芯下部就失去了“導(dǎo)向”，從該閥的閥芯和閥座的結(jié)構(gòu)看，介質(zhì)在閥內(nèi)部的流動是激烈的湍流，這將對閥芯產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，使閥芯左右搖擺，因此出現(xiàn)了斷裂，見圖4。

圖4 閥芯的斷裂機(jī)理圖
3.2 掃描電鏡的微觀分析
對表1中的第5臺調(diào)節(jié)閥的閥芯和閥座進(jìn)行掃描電鏡的微觀分析。

圖5 閥芯*環(huán)

圖6 閥座*環(huán)的腐蝕形貌圖
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(組合式減壓閥,可調(diào)式減壓閥,自力式減壓閥閥芯*環(huán)表面即圖5中的“C”區(qū)域邊緣的形貌如圖6所示，圖左側(cè)為凹槽“C”區(qū)，可見有孔洞狀的凹坑，棱角較清晰；圖右側(cè)為柱面區(qū)，相對起伏較小，可見沙灘面的弧形波紋。顯示了兩種腐蝕形貌。凹槽“C”區(qū)高倍下可見隧道樣孔洞平行分布，深淺不一，表面呈片狀，與解理腐蝕面相關(guān)，部分孔洞中發(fā)現(xiàn)有團(tuán)狀夾雜物。柱狀面在高倍下可見漩渦狀花樣，且以階梯層狀為基底，表明腐蝕以晶體理解面均勻發(fā)展，而且顯示出腐蝕液在該表面的湍流沖刷過程。對閥芯的尾桿表面進(jìn)行微觀觀察可見表面起伏較小，呈較均勻的弧形微坑。高倍下，可見鱗狀花樣以及一些平行的直線狀小臺階，顯示出一定流速下全面腐蝕形貌。

圖7 閥座*環(huán)的腐蝕形貌圖
閥座*環(huán)表面起伏大，蝕坑及腐蝕條紋十分清晰，呈現(xiàn)與沖刷相關(guān)的形貌，如圖7所示。高倍下，孔洞呈現(xiàn)坑道形態(tài)，表面腐蝕花紋劃出基體組織的晶體位向及腐蝕流向。閥座內(nèi)圈表面起伏較小，溝槽線條明晰，具有一定的方向性，與腐蝕性流體相關(guān)。高倍下可見層片狀腐蝕覆蓋物，覆蓋物可見溝槽（表明晶界優(yōu)先腐蝕）以及腐蝕小坑。
導(dǎo)向圈表面有層狀起伏，平行的細(xì)條紋清晰，呈現(xiàn)與沖涮及晶體相關(guān)的形貌。高倍下這些孔沿溝槽方向排列，表現(xiàn)出受腐蝕的形態(tài)。
由以上微觀和宏觀分析所見的形貌可推斷，閥芯外表和閥座的內(nèi)腔表面均發(fā)生了腐蝕，為全面腐蝕及沖涮腐蝕。在閥內(nèi)圈入口*環(huán)卡處，由于壓力大、流速高，使該處兩表面氧化膜溶解，加速腐蝕速率，并發(fā)生孔蝕。
3.3 X射線能譜分析
對閥芯和閥座的基材進(jìn)行X射線能譜分析，閥芯的成分：Ti（99.88%）、Fe（0.02%）；閥座的成分：Ti（99.63%）、Fe（0.23%）、Pd（0.15%）。
對閥芯*環(huán)表面孔洞內(nèi)夾雜物進(jìn)行X射線能譜分析，可見成分S（約50%）、Mo（約45.7%）及Ti（約4.2%）的峰線，表明為Mo的硫化物。
閥座*環(huán)表面對腐蝕面進(jìn)行X射線能譜分析，可見Ti、F（約3.63%）、S（約0.12%）、Cl（約0.10%）、Fe（約1.03%）；導(dǎo)向圈的腐蝕面除Ti外，還含有C（約16.9%）、F（約3.63%）等。
從以上分析看出，閥芯閥座基材的主要元素符合相關(guān)技術(shù)要求。在腐蝕面上發(fā)現(xiàn)了F元素，由于鈦性氟化物在溶液中不耐腐蝕，可推斷調(diào)節(jié)閥LCV-2203腐蝕主要是由于氟離子的作用。

4 措施
1）通過改進(jìn)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)即閥座和導(dǎo)向環(huán)由螺紋連接改為焊接連接，可防止因腐蝕使閥座和導(dǎo)向環(huán)脫落，從而出現(xiàn)閥桿斷裂的現(xiàn)象。表1的第3、4、5臺的調(diào)節(jié)閥都采用此結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥閥芯斷裂的現(xiàn)象。
2）對閥座和閥芯進(jìn)行表面處理，加強(qiáng)其硬度，使其維氏硬度從200提高到1200多，在一定程度上提高了耐沖刷的能力。表1第5臺調(diào)節(jié)閥采用了該技術(shù)，從使用時(shí)間看，一定程度上延長了壽命。
3）工藝上對可能含有鈦腐蝕的介質(zhì)進(jìn)行刪除，力求從根本上解決問題。
5 結(jié)束語
導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥LCV-2203損壞的原因是受含氟離子溶液的腐蝕和流體的沖刷。通過改進(jìn)閥門的結(jié)構(gòu)和對閥座和閥芯進(jìn)行表面處理可以一定程度延長調(diào)節(jié)閥的壽命，但無法從根本上解決問題。本文也只能做為查考。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：200X先導(dǎo)隔膜式水用減壓閥安裝要求