氨制冷特种设备的腐蚀机理与预防

2016-02-23何卫宏

现代制造技术与装备 2016年9期

关键词：保温层冷却器氯离子

何卫宏

（贵阳市农业机械科技推广站，贵阳 550081）

氨制冷特种设备的腐蚀机理与预防

何卫宏

（贵阳市农业机械科技推广站，贵阳 550081）

主要对氨制冷特种设备的腐蚀机理及预防措施等问题进行探讨。

氨制冷特种设备腐蚀机理预防

氨是冷库常用的制冷剂，常温下为无色、伴随强烈刺激臭味的有毒气体，具有易燃、易爆、窒息性、有毒、危险性高等特点。氨制冷工艺涉及学科多，包括电工学、热力学、材料学、数学等。基于氨制冷的危险性，冷库中往往配备有防护服、防毒面具等急救药品。以下主要对氨制冷设备的腐蚀机理及预防措施进行分析。

1 氨制冷原理

氨制冷工艺是不同能量之间发生转化的工艺，如机械能、电能、热能等通过氨作用进行冷热交换，实现制冷目的的过程。氨制冷系统的组成部分较多，包括低压循环桶、储氨罐、中间冷却器、集油器、中间冷却器、压缩机、调节阀门及各种连接管道等。其中，最基本的组成要素是节流阀、低压循环桶、压缩机、冷库排管及中间冷却器。在整个系统运行中，氨的状态会发生变化，进而起到冷库制冷的作用。

2 氨制冷特种设备腐蚀机理

对于氨制冷特种设备而言，腐蚀方式多种多样，但以应力腐蚀较为多见。尤其是在由16MnR材料制成的制冷设备，应力腐蚀更是常见。应力腐蚀属于一种低应力脆性断裂，只有介质、材料及应力3个条件同时存在才可产生。

若想更好地理解应力腐蚀机理，可通过以下现象进行理解：钢铁在发生氧化反应后，其表面会形成一层氧化膜（较均匀），而这层氧化膜可起到较好的保护作用，能够在很大程度上预防氧继续氧化铁，该过程也称为钝化。若材料内部有残余力叠加，或是存在应力集中部位，位错则会出现局部滑移，并形成滑移台阶面，活化滑移台阶处的金属，最终发生腐蚀现象。

氨腐蚀是氨制冷设备最主要的应力腐蚀形式之一。除此之外，缝隙腐蚀、环境腐蚀、冲刷腐蚀等其他腐蚀形式也较为常见。以下主要对氨制冷特种设备的几种腐蚀形式进行分析。

2.1 氨腐蚀

二氧化碳、氧气及氮气都会使液氨对金属材料产生腐蚀作用。氧气、氮气及氨气和低合金钢或者碳钢可组成应力腐蚀环境。在有氧气的液氨中，钢表面会吸附氧气，形成氧化膜。如果材料受力发生位错滑移，则会破坏氧化膜，而新滑移台阶面和原来金属面则会组成微电池[1]。若无其他杂质，氧气还可在金属表面再形成氧化膜，对应力腐蚀起到抑制作用。然而，若出现氮气，由于氮气和氧气会在新滑移台阶面竞相发生反应，则可能引起应力腐蚀。

2.2 冲刷腐蚀

在氨制冷特种设备中，冷凝器管子、管板受冷水冲刷很容易发生腐蚀，在管板表面及管间多处可见腐蚀坑[2]。此外，氨制冷设备循环塔水常年处在循环状态，部分落在下面容器壁，而固定部位在长期冲刷作用下，形成腐蚀坑。

2.3 氯离子及缝隙腐蚀

缝隙腐蚀机理：静止溶液与缝隙内金属离子浓缩，内外离子浓度差则会形成浓差电池，在该作用下则会发生缝隙腐蚀。

金属材料都会存在一定成分的氧化物、硫化物等非金属夹杂物。受氯离子腐蚀作用的影响，材料中的非金属化合物极易形成坑点腐蚀。另外，氨制冷压力容器有缝隙，且循环水中氯离子浓度高，故氯离子极易在缝隙处聚集，产生缝隙腐蚀。

腐蚀坑形成后，受电位差作用影响，坑内带正电荷的金属离子则会向外移动，而坑外氯离子却向内移动，形成电化学腐蚀。除此之外，氯离子原子半径较小，无论是非金属夹杂物，还是金属中的焊接缺陷，都可能成为氯离子渗透的源头。

在设备使用中，雨水或者冷凝水会形成含水电解液，也可能发生缝隙腐蚀。一些金属构件浸在介质中，而在缝隙或者一些隐蔽区域，极易发生局部腐蚀，最终成为缝隙腐蚀。该类型腐蚀的发生主要与搭接缝、孔穴、螺栓帽下缝隙积存的少量静止溶液相关。

2.4 环境腐蚀

氨制冷设备中的低压循环储液桶、中间冷却器等容器，其氨介质长期处在低温环境中，而工艺需加保温层，且要求保温层严密、整体完整。然而，检验时发现，部分单位存在管理差、使用年限过久、设备使用环境差等情况，致使保温层破损，设备局部壁厚变薄，且局部发生锈蚀。同时，保温层破损后，潮湿空气侵入，并在保温层破损处结霜，停用时该部位则发生融化，形成腐蚀。

3 预防对策

氨制冷工艺作为现代重要的生产工艺，与人们的生产、生活紧密相关，因此提高氨制冷工艺的效果非常关键。在氨制冷工艺中，特种设备的应用不可缺少。针对氨制冷特种设备常见的腐蚀方式，相关单位或人员必须对氨制冷设备的腐蚀机理有充足的了解，并注意采取预防措施，最大程度地预防设备遭腐蚀。

3.1 介质

对于介质，氨制冷压力容器的专业标准不但要与GB536-1988规定相符，还应达到NB/T47012-210规定中的相关要求：①含氨量应在99.995%以上；②含水量应不小于0.2%[3]。除此之外，应隔半年对液氮介质中的含氨量、含水量与含氧量等进行一次检查，以保证介质达到相关标准。

3.2 加强氨制冷设备管理

企业应严格按照相关标准对各种氨制冷特种设备进行质量检验，以保证设备的安全性。同时，定期对特种设备进行检查、检修、养护，发现问题时及时采取措施处理。比如，设备经过运行后，可能出现一些质量隐患，如裂缝、密封不良、阀门连接不可靠等，极可能被腐蚀气体入侵，产生缝隙腐蚀。此外，还应注意提升设备使用人员的综合素质，加强技能培训，提高作业人员对设备的掌握程度，包括明确各种可能导致设备腐蚀的因素，从而在日常工作中及时发现与处理存在或潜在的腐蚀因素。

3.3 焊接工艺

在氨制冷特种设备中，有一些应力集中的部位极易发生应力腐蚀、开裂现象，如角焊缝根部。然而，这些接头往往无法实行射线无损检测，检测不出该部位存在的焊接缺陷，故只可严格要求焊接工艺，提高焊接质量。当前，焊接技术日渐提高，大量氨制冷设备的制作、安装过程普遍采用全程氩弧焊焊接工艺，有效保证了焊接质量。除此之外，还应注意控制好焊缝余高，避免应力过度集中。

3.4 材料

如果处在氨制冷介质环境下，金属材料中16MnR的应力腐蚀倾向要明显大于比20R、20g[4]。所以，在检验16MnR材料制备的氨制冷压力容器时，应考虑应力腐蚀问题，并换上20g或20R制备的设备。

3.5 带保温设备的防腐对策

在低压循环储液桶、中间冷却器等容器内，其氨介质均处在低温条件，故需要有保温层。加装保温主要是保温与防潮。如果外部保温层完好而未破损，保温层内的容器外壁发生腐蚀的情况也会减少。

3.6 长期放置设备的预防腐蚀措施

第一，将腐蚀物清除干净。先用高压喷水器清除干净腐蚀程度较重的管线部位杂质，然后实行人工除锈，以免该类腐蚀物和水、氧协同作用而加剧腐蚀。第二，将内存水排净。制冷设备的管线内经常会残留一定量的水，而这些残留水是腐蚀设备的重要物质。因此，可在装置各管线充入蒸汽，排净各死角处的存水，充入氮气，吹扫一定时间后即可。第三，系统充氮气。设备管线的内存水排净后，可充入氮气起到防护作用，以维持微正压。在置换氮气后，应进行相应的化验分析，以保证氨系统置换彻底。一般来说，氨系统置换后，紧密系统的压力应控制在0.1MPa左右。