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(1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 茂名檢測院， 廣東 茂名 525000； 2.廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 茂名 525000)

化工壓力容器腐蝕影響因素及防腐策略

沈書乾1，郭福平2，李海三1，齊洪洋1，李程1

(1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 茂名檢測院， 廣東 茂名 525000； 2.廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 茂名 525000)

壓力容器是化工設(shè)備的重要組成部分，在化工生產(chǎn)中具有重要地位和作用。壓力容器一旦發(fā)生腐蝕，會影響化工反應(yīng)的正常進(jìn)行，甚至釀成重大安全事故。介紹了化工壓力容器常見的物理腐蝕、化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕類型，從材料特性和環(huán)境兩方面闡述了化工壓力容器腐蝕的影響因素，并提出了相應(yīng)的防腐策略，包括合理選用材料、添加緩蝕劑、改善焊接質(zhì)量、采用電化學(xué)防護(hù)、使用防腐涂劑、應(yīng)用防護(hù)襯里以及加強(qiáng)管理維護(hù)等，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供借鑒和參考,確?；毫θ萜靼踩€(wěn)定運行。

壓力容器； 腐蝕； 影響因素； 防腐策略

壓力容器是化工設(shè)備的重要組成部分，在化工生產(chǎn)中具有重要作用。壓力容器一旦發(fā)生腐蝕，輕則影響化工反應(yīng)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重的甚至?xí)劤芍卮蟀踩鹿?。腐蝕和應(yīng)力是導(dǎo)致金屬材料

破裂、失效的重要因素，在化工壓力容器中不可避免。通過采取相應(yīng)防腐措施，可在一定程度上抑制腐蝕進(jìn)程，延長設(shè)備使用壽命，保證化工生產(chǎn)安全穩(wěn)定進(jìn)行。

1 化工壓力容器常見腐蝕類型

1.1物理腐蝕

物理腐蝕是指構(gòu)成容器的金屬材料在物理溶解作用下所產(chǎn)生的損壞，這種腐蝕與化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)無關(guān)，僅是一個物理變化的過程。例如，用來盛放熔融金屬的鋼制容器會緩慢地被熔融金屬所溶解，日積月累就會造成明顯的物理腐蝕。

1.2化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是指容器表面的金屬材料與化學(xué)物質(zhì)接觸而發(fā)生直接的化學(xué)反應(yīng)，最終引起容器的損壞。引發(fā)化學(xué)腐蝕的一般是干燥氣體或非電解質(zhì)溶液，發(fā)生腐蝕時，金屬原子直接與氧化劑進(jìn)行電子交換而完成氧化還原反應(yīng)，期間不會產(chǎn)生電流[1]。

1.3電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是造成化工壓力容器腐蝕的最主要原因，其破壞性比物理腐蝕和化學(xué)腐蝕要大得多，這是因為化工生產(chǎn)中的電解質(zhì)溶液非常常見，為電化學(xué)腐蝕提供了良好的電解質(zhì)環(huán)境。根據(jù)電化學(xué)機(jī)理，發(fā)生電化學(xué)腐蝕需要陰極和陽極，兩者之間會構(gòu)成電流回流。在電化學(xué)腐蝕過程中，位于陽極的金屬失去電子并以離子形態(tài)進(jìn)入電解質(zhì)溶液，而金屬中的剩余電子在陰極被氧化劑所捕獲[2]。電化學(xué)腐蝕既可以是單一的電化學(xué)過程，也可以與機(jī)械作用、生物作用等共存，形成一個極為復(fù)雜的反應(yīng)過程。

2 化工壓力容器腐蝕影響因素

2.1材料特性

材料特性是決定容器腐蝕程度的最主要因素，具體體現(xiàn)在以下幾點：①材料的化學(xué)性質(zhì)、雜質(zhì)含量直接影響著電化學(xué)反應(yīng)的速率，如果容器中含有相對惰性的夾雜物，就會明顯加劇金屬腐蝕的速率。②金屬材料的表面晶型及氧化狀態(tài)也會影響腐蝕速率，晶粒越粗糙，就越容易出現(xiàn)晶間腐蝕，而表面覆蓋氧化膜則能夠有效提高耐腐蝕性[3]。以不銹鋼為例，在腐蝕介質(zhì)作用下，晶間貧鉻導(dǎo)致焊縫金屬產(chǎn)生晶間腐蝕，腐蝕沿晶間深入金屬內(nèi)部，沿晶界斷裂，材料強(qiáng)度幾乎完全消失。在焊接接頭中，晶間腐蝕常產(chǎn)生于熱影響區(qū)，有時也在焊縫或熔合線上產(chǎn)生。③在容器制造環(huán)節(jié)，受到煅燒、冷卻以及沖壓作用的影響，金屬會發(fā)生一定的形變，并產(chǎn)生很強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力也會加劇金屬的腐蝕，尤其在存在H2S的情況下，還可能造成壓力容器腐蝕破裂。④合金元素也是影響容器腐蝕的重要因素，例如，鋼材料中合金元素的種類和含量不同，對于硫化氫腐蝕的敏感性也會存在較大差異。麗建立等研究發(fā)現(xiàn)，在防硫化氫腐蝕中，Cr、Al、B、Ti、V、Cu等為有利元素，S、P、Mn、Ni等為不利元素。M. Elboujdaini等對不同成分條件的國產(chǎn)管線鋼抗硫化物應(yīng)力開裂(SSCC)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，不同C、Mn、P含量的鋼材在相同的實驗條件下具有不同的SSCC斷裂時間與斷裂應(yīng)力，而與C含量無關(guān)。

2.2環(huán)境因素

化工生產(chǎn)過程中往往存在酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)，這類物質(zhì)極易引起壓力容器腐蝕。通常金屬容器對介質(zhì)腐蝕有一定的抵抗能力，但如果介質(zhì)濃度、酸堿度、含氧量等指標(biāo)超過了容器的耐受極限，或者接觸了比較敏感的介質(zhì)種類，就會造成嚴(yán)重腐蝕。

環(huán)境因素對腐蝕的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①工作環(huán)境。在不同的工作條件下，容器的耐腐蝕性有所不同。例如，當(dāng)工作溫度超過溫度限定時，腐蝕斷裂的速率大大加快；在酸性環(huán)境下，低碳鋼容器的硝脆過程明顯加快；pH值越低，不銹鋼容器的應(yīng)力腐蝕速率越快；在高溫水環(huán)境下，溶解氧的含量越高，容器腐蝕越快。②介質(zhì)溫度。據(jù)相關(guān)研究，溫度每提高10 ℃，化學(xué)反應(yīng)的速率提高1～3倍[4]。高溫可以加快介質(zhì)對流、降低介質(zhì)電阻，為電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造有利條件。介質(zhì)溫度越高，腐蝕速率越快。③壓力。壓力同樣會加劇金屬的腐蝕，增大壓力可以提高氣體在介質(zhì)中的溶解度，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。④pH值。pH值對容器腐蝕的影響十分明顯，以H2S腐蝕為例，pH值不同，介質(zhì)中由H2S電解的HS-和S2-百分比不同，從而影響H2S的溶解度、腐蝕速率及材料腐蝕動力學(xué)性能。Olivier Lavigne認(rèn)為，pH值改變了腐蝕的反應(yīng)速度。呂建華等人認(rèn)為pH<4.5時，H2S對鋼材的腐蝕速率隨介質(zhì)pH值的升高而降低；當(dāng)4.58時，H2S對鋼材不造成腐蝕。⑤介質(zhì)流動速率。介質(zhì)流速越快，則對流、擴(kuò)散越明顯，快速流動的介質(zhì)會對金屬表面保護(hù)膜或腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生一定沖擊，加速其脫落，同時引起空泡、湍流等，導(dǎo)致容器出現(xiàn)不同程度的空泡腐蝕與沖擊磨損。⑥操作因素。很多腐蝕都是由于沒有按正確的操作流程操作配備產(chǎn)生的，若操作人員的技術(shù)不規(guī)范或者沒有按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，腐蝕速度將明顯加快。

3 化工壓力容器防腐策略

3.1合理選用材料

設(shè)計化工壓力容器時，應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[5]以及GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[6]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行選材，設(shè)計時應(yīng)盡可能避免或減小應(yīng)力集中，并且確保容器的金屬材料表面不存在缺口和縫隙，以免因介質(zhì)積聚而引起腐蝕。需要結(jié)合容器具體用途和工作環(huán)境(如溫度、壓力、介質(zhì)性質(zhì)等)，選擇耐蝕性較強(qiáng)的合金材料。一般情況下，化工壓力容器材質(zhì)以碳鋼為主，部分對材質(zhì)要求較高的可以使用不銹鋼、銅材或鈦材[7]。耐蝕性并非壓力容器選材的唯一標(biāo)準(zhǔn)，介質(zhì)的毒性、易燃性等也是需要考慮的重要因素。例如，Q235-A.F不宜用作易燃介質(zhì)容器的材料，Q235B與Q235C不宜用作毒性等級為極?；蚋呶＝橘|(zhì)容器的材料[8]。

在壓力容器設(shè)計中，除了應(yīng)嚴(yán)格按文獻(xiàn)[5，6]等進(jìn)行選材外，還應(yīng)特別注意介質(zhì)對主體材料的影響。如在濕H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)境中使用的化工容器用碳鋼及低合金鋼(包括焊接接頭)應(yīng)符合下列要求：①化學(xué)成分。母材的w(Mn)≤1.65%、w(Ni)≤1%(盡可能少)、w(Si)≤1.0%；焊縫金屬的w(C)≤0.15%、w(Mn)≤1.6%、w(Si)≤1.0%、w(Ni)≤1.0%(盡可能不含)。②母材及焊接接頭硬度不大于HB235。再如應(yīng)力腐蝕環(huán)境中使用的介質(zhì)為液氨的低碳鋼和低合金高強(qiáng)度鋼(包括焊接接頭)應(yīng)符合HG 20581—1998《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》[9]的規(guī)定。而對于高溫氫腐蝕環(huán)境，應(yīng)根據(jù)Nelson曲線選擇碳鋼或用Cr-Mo低合金鋼。

3.2添加緩蝕劑

緩蝕劑是一種或一組特殊的化學(xué)物質(zhì)，具有減緩容器腐蝕的效果。只要在金屬材料的表面添加極少量的緩蝕劑(一般為千萬分之幾至千分之幾)，就能夠使材料的力學(xué)性能得到很好地保持。在盛放某些介質(zhì)的金屬材料中添加特定的緩蝕劑，甚至可以使材料的腐蝕速度降至接近0[10]。因此，添加緩蝕劑是一種非常經(jīng)濟(jì)的金屬防腐技術(shù)，是化工壓力容器防腐的理想選擇之一。緩蝕劑主要是影響金屬在介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，通過覆蓋在金屬表面，抑制表面的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，減緩金屬的電化學(xué)腐蝕。另外還有抑制壓力容器物理化學(xué)腐蝕的緩腐蝕劑，主要有氧化膜、沉淀膜以及吸附膜3種。氧化膜型緩蝕劑就是指其本身就是氧化劑，可以與金屬發(fā)生作用，在金屬表面形成緊密的氧化膜，阻礙金屬離子化，從而減緩金屬的腐蝕。沉淀膜型緩蝕劑就是在金屬表面生成沉淀膜，可以通過緩蝕劑分子之間相互作用生成，也可以通過緩蝕劑與腐蝕介質(zhì)中的金屬離子作用生成，一般是在陰極區(qū)形成并且覆蓋在其表面，阻斷金屬與介質(zhì)之間的離子作用，減緩金屬的腐蝕。吸附膜型緩蝕劑一般為有機(jī)緩蝕劑，其在腐蝕介質(zhì)中對金屬表面有良好的吸附性，可改變金屬表面的性質(zhì)，抑制金屬的腐蝕。

3.3改善焊接質(zhì)量

金屬材料焊接部位的殘余應(yīng)力是導(dǎo)致腐蝕斷裂的重要因素，通過提高焊接質(zhì)量，可以有效消除殘余應(yīng)力，改善焊縫區(qū)域的金相組織，進(jìn)而提高其耐蝕性[11]。目前，不銹鋼材料焊接中應(yīng)用最廣泛的兩種工藝是電弧焊與氬弧焊，無論采用哪一種工藝，都必須遵循鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范的相關(guān)要求。焊條等焊接材料要選擇適用且經(jīng)過相關(guān)質(zhì)檢機(jī)構(gòu)檢測之后的材料。壓力容器焊接前，需充分考慮金屬材料的淬硬性、焊縫厚度等因素，并做好預(yù)熱工作[12]。為避免容器產(chǎn)生超標(biāo)缺陷，焊接完畢后還需及時進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，并進(jìn)行晶間腐蝕測試，最后進(jìn)行超聲波檢測與射線檢測[13]。

3.4采用電化學(xué)防護(hù)

電化學(xué)防護(hù)的基本原理是將待保護(hù)的金屬材料變?yōu)樵姵刂械年帢O，以抑制金屬材料的陽極反應(yīng)，減緩其腐蝕進(jìn)程，包括兩種方法：①犧牲陽極保護(hù)法，即將還原性較強(qiáng)的鋁、鋅等金屬材料固定在容器上充當(dāng)陽極，使金屬容器變?yōu)楦g電路的陰極而受到保護(hù)。②外加電流陰極保護(hù)法，即通過外加直流電源的方式，強(qiáng)制電子從介質(zhì)流向金屬容器，使容器作為陰極被保護(hù)起來。采用外加電流保護(hù)法的關(guān)鍵在于低電壓、大電流，且必須持續(xù)不間斷供電[14]。

犧牲陽極保護(hù)法比較適宜于腐蝕性不太強(qiáng)的介質(zhì)，如中性鹽溶液，在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中，由于活潑金屬材料的消耗太大，故經(jīng)濟(jì)性較差。而外加電流陰極保護(hù)法是利用外加電源進(jìn)行保護(hù)，可以有很大的功率，因此比犧牲陽極保護(hù)法適用范圍更廣。外加電流陰極保護(hù)法還可以根據(jù)保護(hù)情況隨時調(diào)節(jié)電流大小，但需要配備一套直流電源和附屬的電器裝置，基本投資遠(yuǎn)高于犧牲陽極保護(hù)法，所以應(yīng)綜合考慮介質(zhì)環(huán)境、防腐等級要求、經(jīng)濟(jì)性等因素選用電化學(xué)保護(hù)方法。外加電流陰極保護(hù)法廣泛應(yīng)用于地下管道、海水冷卻設(shè)備、油庫以及鹽類生產(chǎn)設(shè)備的保護(hù)，在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用也逐年增多。如某碳鋼制堿液蒸發(fā)鍋，在施加外加電流陰極保護(hù)前，運行40～50 d焊縫處就開始產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂，施加電化學(xué)保護(hù)后，2 a多都未發(fā)現(xiàn)破裂。某合成氨冷卻器，無外加電流陰極保護(hù)時只能使用1 a，施加電化學(xué)保護(hù)后腐蝕基本停止。

3.5使用防腐涂劑

防腐涂劑通常由多種材料調(diào)配而成，包括人造樹脂、植物油和漿液溶劑等。防腐涂劑一般用在腐蝕較為嚴(yán)重的設(shè)備表面，可直接涂到腐蝕部位，待涂料變干后就會形成一層帶有許多微孔的薄膜，雖然該薄膜不能徹底隔離金屬容器與介質(zhì)，但可以增大介質(zhì)向微孔擴(kuò)散的阻力，有效抑制腐蝕電流，起到一定的防腐作用[15]。

3.6應(yīng)用防護(hù)襯里

在化工生產(chǎn)過程中有一些腐蝕性極強(qiáng)的化學(xué)介質(zhì)，而現(xiàn)有的金屬材料無法滿足這些介質(zhì)的防腐要求，或者材料的價格極其昂貴而無法用于制作容器，這種情況下通常會為容器添加一層防護(hù)襯里。選擇防護(hù)襯里時，應(yīng)該嚴(yán)格依據(jù)文獻(xiàn)[5]的有關(guān)要求，并充分考慮反應(yīng)溫度、壓力以及介質(zhì)的具體性質(zhì)[16]。目前使用較多的襯里材料有玻璃鋼、聚四氟乙烯、鈦、不銹鋼、搪玻璃等，其中鈦、不銹鋼等金屬襯里對高溫、高壓的抵抗能力較強(qiáng)，但其造價較高，施工難度較大。而非金屬襯里的造價相對低廉，但對高溫、高壓的耐受能力相對要差一些，應(yīng)用場合有限[17]。

3.7加強(qiáng)管理維護(hù)

化工企業(yè)必須嚴(yán)格遵循壓力容器的各項使用規(guī)定，認(rèn)真落實容器檢修工作，按計劃進(jìn)行檢測、取樣，及時掌握容器的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)容器腐蝕或缺陷時要盡快制定補救方案，以控制腐蝕的進(jìn)一步擴(kuò)散和蔓延，保證設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)。相關(guān)人員要加強(qiáng)對腐蝕設(shè)備的研究和分析，徹底清查腐蝕原因，制定相應(yīng)的預(yù)防措施，防止同類問題重復(fù)出現(xiàn)，從而有效避免容器腐蝕，延長容器使用壽命。

4 結(jié)語

設(shè)備腐蝕是化工生產(chǎn)的重要風(fēng)險源，特別是對于化工壓力容器來說，腐蝕所造成的危害更大，后果更加嚴(yán)重，必須加強(qiáng)對容器腐蝕的重視程度，結(jié)合壓力容器的工作環(huán)境來分析腐蝕規(guī)律與影響因素，并制定相應(yīng)的防護(hù)舉措，以抑制腐蝕進(jìn)程，延長容器壽命，確?；どa(chǎn)的安全穩(wěn)定運行。

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(張編)

InfluenceFactorsofCorrosionofPressureVesselsinChemicalIndustryandCorrosionProtectionStrategy

SHENShu-qian1，GUOFu-ping2，LIHai-san1，QIHong-yang1，LICheng1

(1.Maoming Inspection Institute， Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research， Maoming 525000， China； 2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming 525000， China)

Pressure vessel is an important part of chemical equipment， which has an irreplaceable position and role in chemical production. Once the pressure vessel corrosion，it does not only affect the normal chemical reaction，but also may lead to major security incidents. Based on this，the common corrosion types of chemical pressure vessel including physical corrosion， chemical corrosion and electrochemical corrosion were analyzed，the influencing factors of corrosion of chemical pressure vessels are expounded from two aspects of material characteristics and environment，and the corresponding strategies such as reasonable selection of materials，adding inhibitor，improve welding quality，electrochemical protection，use anticorrosive paint，application protection lining，strengthen management and maintenance were put forward，in order to provide reference for the relevant practitioners.

pressure vessel； corrosion； influencing factors； corrosion protection strategy

TQ050.9； TH49

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.013

1000-7466(2017)02-0059-05

2016-10-20

沈書乾(1979-)，男，江西九江人，高級工程師，碩士，主要從事特種設(shè)備的檢驗檢測及安全評估工作。