鈦調節閥腐蝕分析

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之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應用，現在介紹由于鈦制設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塔、換熱器、調節閥和切斷閥等關鍵設備都使用了鈦制設備。在2004年10月之前，這些鈦制設備運行狀況良好。但從2004年10月至2005年8月，鈦制設備受到了腐蝕，其中減壓調節閥LCV-2203的腐蝕損壞為嚴重，每次損壞都需要停車更換，給生產帶來嚴重的影響。
1希羅裝置工藝簡介
希羅裝置是焦爐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等低價硫的化合物進行濕式氧化，使這些成分轉化成穩定的（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（同時用壓縮機將高壓空氣壓入原料液中）經換熱和加熱進入反應塔的底部，在反應塔內發生如下反應：

反應塔上部排出的反應液經冷卻器送到硫銨裝置，反應塔頂部排出氣體經處理后排放。調解閥LCV-2203就裝在冷卻器后的管道上。調節閥的殼體試驗是對閥體和閥蓋等聯結而成的整個閥門外殼進行的壓力試驗。其目的是檢驗閥體和閥蓋的致密性及包括閥體與閥蓋聯結處在內的整個殼體的耐壓能力。每臺閥門出廠前均應進行殼體試驗。在殼體試驗之前，不允許對閥門涂漆或使用其他防止滲漏的涂層。但允許進行無密封作用的化學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。
    在試驗過程中，不得對閥門施加影響試驗結果的外力。試驗壓力在保壓和檢測期間應維持不變。用液體作試驗時，應盡量排除閥門體腔內的氣體。在達到保壓時間后，殼體（包括填料函及閥體與閥蓋連接處）不得發生滲漏或引起結構損傷。
    殼體試驗的方法和步驟：封閉閥門進口和出口，壓緊填料壓蓋，使啟閉件處于部分開啟位置；給體腔充滿試驗介質，并逐漸加壓到試驗壓力（止回閥類應從進口端加壓）；達到規定時間后，檢查殼體（包括填料函及閥體與閥蓋聯接處）是否有滲漏。
殼體試驗的試驗溫度、試驗介質、試驗壓力、試驗短持續時間及允許滲漏率見表

2調節閥的損壞情況

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、閥座的內部結構圖
對于調節閥來說，關鍵的部件是閥芯和閥座。如果這兩個部件受到損壞，調節閥的流量特性和功能就會受到影響。圖2是1臺已腐蝕損壞的調節閥的外觀圖，圖3是閥的內部結構圖。這臺調節閥擁有4級串聯的減壓構件，流體介質從閥座中部的孔流入，經過4級節流減壓后，從閥座B處的導向環上的孔流出。閥芯的材質是TA2，閥座的材質是Ti-0.2Pd。
調節閥的閥芯和閥座受到腐蝕損壞后，在生產過程中的表現是在工藝操作參數不變的情況下，調節閥的工作開度下降較快。當調節閥的工作開度小于20%時，閥的調節能力不能滿足生產要求，需要更換調節閥。
對損壞的調節閥進行解體檢查，閥芯閥座損壞情況見表1。
表1 調節閥腐蝕損壞情況

2004年10月至2005年8月是調節閥腐蝕損壞嚴重的階段，此后對調節閥的制作進行了一些改進，生產工藝也作了一些調整，調節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
在進口的兩臺調節閥中，閥芯出現了斷裂。在調節閥解體檢查中，發現閥座和導向圈上都有螺紋，說明這兩個部件是通過螺紋來連接的。螺紋很細，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，當螺紋小到一定的程度后，使導向圈與閥座連接產生了松動，同時由于導向圈又受到流體的向下沖擊，使導向圈從閥座脫落。導向圈與閥座脫落后，閥芯下部就失去了“導向”，從該閥的閥芯和閥座的結構看，介質在閥內部的流動是激烈的湍流，這將對閥芯產生強烈的沖擊，使閥芯左右搖擺，因此出現了斷裂，見圖4。

圖4 閥芯的斷裂機理圖
3.2 掃描電鏡的微觀分析
對表1中的第5臺調節閥的閥芯和閥座進行掃描電鏡的微觀分析。

圖5 閥芯*環

圖6 閥座*環的腐蝕形貌圖
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(組合式減壓閥,可調式減壓閥,自力式減壓閥閥芯*環表面即圖5中的“C”區域邊緣的形貌如圖6所示，圖左側為凹槽“C”區，可見有孔洞狀的凹坑，棱角較清晰；圖右側為柱面區，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，部分孔洞中發現有團狀夾雜物。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*環的腐蝕形貌圖
閥座*環表面起伏大，蝕坑及腐蝕條紋十分清晰，呈現與沖刷相關的形貌，如圖7所示。高倍下，孔洞呈現坑道形態，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。高倍下可見層片狀腐蝕覆蓋物，覆蓋物可見溝槽（表明晶界優先腐蝕）以及腐蝕小坑。
導向圈表面有層狀起伏，平行的細條紋清晰，呈現與沖涮及晶體相關的形貌。高倍下這些孔沿溝槽方向排列，表現出受腐蝕的形態。
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腔表面均發生了腐蝕，為全面腐蝕及沖涮腐蝕。在閥內圈入口*環卡處，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，并發生孔蝕。
3.3 X射線能譜分析
對閥芯和閥座的基材進行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*環表面孔洞內夾雜物進行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*環表面對腐蝕面進行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技術要求。在腐蝕面上發現了F元素，由于鈦性氟化物在溶液中不耐腐蝕，可推斷調節閥LCV-2203腐蝕主要是由于氟離子的作用。

4 措施
1）通過改進調節閥的結構即閥座和導向環由螺紋連接改為焊接連接，可防止因腐蝕使閥座和導向環脫落，從而出現閥桿斷裂的現象。表1的第3、4、5臺的調節閥都采用此結構，沒有出現調節閥閥芯斷裂的現象。
2）對閥座和閥芯進行表面處理，加強其硬度，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臺調節閥采用了該技術，從使用時間看，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進行刪除，力求從根本上解決問題。
5 結束語
導致調節閥LCV-2203損壞的原因是受含氟離子溶液的腐蝕和流體的沖刷。通過改進閥門的結構和對閥座和閥芯進行表面處理可以一定程度延長調節閥的壽命，但無法從根本上解決問題。本文也只能做為查考。與本產品相關論文：200X先導隔膜式水用減壓閥安裝要求