Авторы: А.В. Жулин, Р.А. Евсиков, С.Л. Масякин, Д.С. Попов, Ю.П. Афромеев (ПАО «НОРЭ»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №4/2016
Трубопровод циркуляционного газа (состав газа, %: азот – 1, монооксид углерода (угарный газ) – 11, диоксид углерода (углекислый газ) – 9–10, метан – 3–4, водород – 74) эксплуатируется при следующих параметрах: рабочее давление – 5,5 МПа, рабочая температура – 120°С. Материал трубопровода – сталь 20 ГОСТ 1050.
При испытании трубопровода после 8 лет эксплуатации произошел разрыв прямого участка патрубка диаметром 219×8,0 мм (см. рисунок), расположенного между задвижкой на входе теплообменной секции аппарата воздушного охлаждения и врезкой в коллектор трубопровода циркуляционного газа.
Для определения причин разрушения были проделаны следующие мероприятия:
- визуальный осмотр;
- ультразвуковая толщинометрия;
- металлографические исследования образцов, вырезанных из дефектного участка;
- химический анализ металла;
- механические испытания образцов основного металла.
По результатам визуального осмотра места разрыва было установлено, что отрыв трубы произошел по основному металлу (см. рисунок) в месте заметного утонения стенки трубы. Ультразвуковой толщинометрией установлено, что вследствие карбонильной коррозии фактическая толщина стенки разорванного патрубка в сечении, примыкающему к месту разрыва, составила 2,6…5,3 мм (расчетная толщина – 5,2 мм).
Результаты металлографических исследований образцов металла, вырезанных из дефектного участка трубопровода, показали на отсутствие недопустимых дефектов микроструктуры стали, а результаты химического анализа и механических испытаний подтвердили соответствие химического состава и механических свойств материала требованиям стандартов, что указывает на протекание карбонильной коррозии.
Карбонильная коррозия часто наблюдается в технологических средах, особенно в случаях, когда при повышенном давлении и температуре протекают процессы с участием соединений углерода.
Оксид углерода (монооксид СО и диоксид СО2) при нормальном давлении и температуре по отношению к металлам инертен. Но при повышенных значениях температуры и давления оксид углерода реагирует с большинством металлов. В результате такого взаимодействия образуются карбонилы металлов. Процесс образования карбонила железа описывается реакцией:
Fe + nCO = Fe(CO)n.
С оксидом углерода железо может образовать три вида карбонилов: Fe(CO)5 (пентакарбонил), Fe(CO)4 (тетракарбонил) и Fe(CO)9 (нонакарбонил). При повышении температуры все эти соединения разлагаются, так как не обладают достаточной устойчивостью. Наибольшей стойкостью среди перечисленных карбонилов железа обладает пентакарбонил, который почти полностью диссоциирует на CO и Fe уже при температуре выше 140°С.
Оксид углерода может образовывать подобные соединения со многими металлами.
Карбонильная коррозия протекает только в верхних слоях. Разрыхление и разрушение поверхностного слоя металла в глубину может достигать до 5,0 мм[1], что и произошло в данном случае. В более глубоких слоях структура не изменилась.
Для предотвращения коррозионно-эрозионного износа металла из-за карбонильной коррозии рекомендовано заменить участки трубопровода из стали 20 на участки из стали 12Х18Н10Т, так как с увеличением содержания хрома стойкость стали в среде окиси углерода повышается.
Список литературы
- Газовая коррозия в технологических средах. http:// www.okorrozii.com.
