化工压力容器腐蚀影响因素及防腐策略
2017-04-04，，，，
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(1.广东省特种设备检测研究院 茂名检测院， 广东 茂名 525000； 2.广东石油化工学院 机电工程学院， 广东 茂名 525000)
化工压力容器腐蚀影响因素及防腐策略
沈书乾1，郭福平2，李海三1，齐洪洋1，李程1
(1.广东省特种设备检测研究院 茂名检测院， 广东 茂名 525000； 2.广东石油化工学院 机电工程学院， 广东 茂名 525000)
压力容器是化工设备的重要组成部分，在化工生产中具有重要地位和作用。压力容器一旦发生腐蚀，会影响化工反应的正常进行，甚至酿成重大安全事故。介绍了化工压力容器常见的物理腐蚀、化学腐蚀及电化学腐蚀类型，从材料特性和环境两方面阐述了化工压力容器腐蚀的影响因素，并提出了相应的防腐策略，包括合理选用材料、添加缓蚀剂、改善焊接质量、采用电化学防护、使用防腐涂剂、应用防护衬里以及加强管理维护等，以期为相关从业人员提供借鉴和参考,确保化工压力容器安全稳定运行。
压力容器； 腐蚀； 影响因素； 防腐策略
压力容器是化工设备的重要组成部分，在化工生产中具有重要作用。压力容器一旦发生腐蚀，轻则影响化工反应的正常进行，严重的甚至会酿成重大安全事故。腐蚀和应力是导致金属材料
破裂、失效的重要因素，在化工压力容器中不可避免。通过采取相应防腐措施，可在一定程度上抑制腐蚀进程，延长设备使用寿命，保证化工生产安全稳定进行。
1 化工压力容器常见腐蚀类型
1.1物理腐蚀
物理腐蚀是指构成容器的金属材料在物理溶解作用下所产生的损坏，这种腐蚀与化学或电化学反应无关，仅是一个物理变化的过程。例如，用来盛放熔融金属的钢制容器会缓慢地被熔融金属所溶解，日积月累就会造成明显的物理腐蚀。
1.2化学腐蚀
化学腐蚀是指容器表面的金属材料与化学物质接触而发生直接的化学反应，最终引起容器的损坏。引发化学腐蚀的一般是干燥气体或非电解质溶液，发生腐蚀时，金属原子直接与氧化剂进行电子交换而完成氧化还原反应，期间不会产生电流[1]。
1.3电化学腐蚀
电化学腐蚀是造成化工压力容器腐蚀的最主要原因，其破坏性比物理腐蚀和化学腐蚀要大得多，这是因为化工生产中的电解质溶液非常常见，为电化学腐蚀提供了良好的电解质环境。根据电化学机理，发生电化学腐蚀需要阴极和阳极，两者之间会构成电流回流。在电化学腐蚀过程中，位于阳极的金属失去电子并以离子形态进入电解质溶液，而金属中的剩余电子在阴极被氧化剂所捕获[2]。电化学腐蚀既可以是单一的电化学过程，也可以与机械作用、生物作用等共存，形成一个极为复杂的反应过程。
2 化工压力容器腐蚀影响因素
2.1材料特性
材料特性是决定容器腐蚀程度的最主要因素，具体体现在以下几点：①材料的化学性质、杂质含量直接影响着电化学反应的速率，如果容器中含有相对惰性的夹杂物，就会明显加剧金属腐蚀的速率。②金属材料的表面晶型及氧化状态也会影响腐蚀速率，晶粒越粗糙，就越容易出现晶间腐蚀，而表面覆盖氧化膜则能够有效提高耐腐蚀性[3]。以不锈钢为例，在腐蚀介质作用下，晶间贫铬导致焊缝金属产生晶间腐蚀，腐蚀沿晶间深入金属内部，沿晶界断裂，材料强度几乎完全消失。在焊接接头中，晶间腐蚀常产生于热影响区，有时也在焊缝或熔合线上产生。③在容器制造环节，受到煅烧、冷却以及冲压作用的影响，金属会发生一定的形变，并产生很强的内应力，这种内应力也会加剧金属的腐蚀，尤其在存在H2S的情况下，还可能造成压力容器腐蚀破裂。④合金元素也是影响容器腐蚀的重要因素，例如，钢材料中合金元素的种类和含量不同，对于硫化氢腐蚀的敏感性也会存在较大差异。丽建立等研究发现，在防硫化氢腐蚀中，Cr、Al、B、Ti、V、Cu等为有利元素，S、P、Mn、Ni等为不利元素。M. Elboujdaini等对不同成分条件的国产管线钢抗硫化物应力开裂(SSCC)性能进行了研究，结果表明，不同C、Mn、P含量的钢材在相同的实验条件下具有不同的SSCC断裂时间与断裂应力，而与C含量无关。
2.2环境因素
化工生产过程中往往存在酸、碱、盐等腐蚀性介质，这类物质极易引起压力容器腐蚀。通常金属容器对介质腐蚀有一定的抵抗能力，但如果介质浓度、酸碱度、含氧量等指标超过了容器的耐受极限，或者接触了比较敏感的介质种类，就会造成严重腐蚀。
环境因素对腐蚀的影响主要体现在以下几个方面：①工作环境。在不同的工作条件下，容器的耐腐蚀性有所不同。例如，当工作温度超过温度限定时，腐蚀断裂的速率大大加快；在酸性环境下，低碳钢容器的硝脆过程明显加快；pH值越低，不锈钢容器的应力腐蚀速率越快；在高温水环境下，溶解氧的含量越高，容器腐蚀越快。②介质温度。据相关研究，温度每提高10 ℃，化学反应的速率提高1～3倍[4]。高温可以加快介质对流、降低介质电阻，为电化学腐蚀创造有利条件。介质温度越高，腐蚀速率越快。③压力。压力同样会加剧金属的腐蚀，增大压力可以提高气体在介质中的溶解度，进而促进相关电化学反应的进行。④pH值。pH值对容器腐蚀的影响十分明显，以H2S腐蚀为例，pH值不同，介质中由H2S电解的HS-和S2-百分比不同，从而影响H2S的溶解度、腐蚀速率及材料腐蚀动力学性能。Olivier Lavigne认为，pH值改变了腐蚀的反应速度。吕建华等人认为pH<4.5时，H2S对钢材的腐蚀速率随介质pH值的升高而降低；当4.5
3 化工压力容器防腐策略
3.1合理选用材料
设计化工压力容器时，应严格依据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[5]以及GB 150.1～150.4—2011《压力容器》[6]的相关规定进行选材，设计时应尽可能避免或减小应力集中，并且确保容器的金属材料表面不存在缺口和缝隙，以免因介质积聚而引起腐蚀。需要结合容器具体用途和工作环境(如温度、压力、介质性质等)，选择耐蚀性较强的合金材料。一般情况下，化工压力容器材质以碳钢为主，部分对材质要求较高的可以使用不锈钢、铜材或钛材[7]。耐蚀性并非压力容器选材的唯一标准，介质的毒性、易燃性等也是需要考虑的重要因素。例如，Q235-A.F不宜用作易燃介质容器的材料，Q235B与Q235C不宜用作毒性等级为极危或高危介质容器的材料[8]。
在压力容器设计中，除了应严格按文献[5，6]等进行选材外，还应特别注意介质对主体材料的影响。如在湿H2S应力腐蚀环境中使用的化工容器用碳钢及低合金钢(包括焊接接头)应符合下列要求：①化学成分。母材的w(Mn)≤1.65%、w(Ni)≤1%(尽可能少)、w(Si)≤1.0%；焊缝金属的w(C)≤0.15%、w(Mn)≤1.6%、w(Si)≤1.0%、w(Ni)≤1.0%(尽可能不含)。②母材及焊接接头硬度不大于HB235。再如应力腐蚀环境中使用的介质为液氨的低碳钢和低合金高强度钢(包括焊接接头)应符合HG 20581—1998《钢制化工容器材料选用规定》[9]的规定。而对于高温氢腐蚀环境，应根据Nelson曲线选择碳钢或用Cr-Mo低合金钢。
3.2添加缓蚀剂
缓蚀剂是一种或一组特殊的化学物质，具有减缓容器腐蚀的效果。只要在金属材料的表面添加极少量的缓蚀剂(一般为千万分之几至千分之几)，就能够使材料的力学性能得到很好地保持。在盛放某些介质的金属材料中添加特定的缓蚀剂，甚至可以使材料的腐蚀速度降至接近0[10]。因此，添加缓蚀剂是一种非常经济的金属防腐技术，是化工压力容器防腐的理想选择之一。缓蚀剂主要是影响金属在介质中发生电化学腐蚀，通过覆盖在金属表面，抑制表面的阳极反应和阴极反应，减缓金属的电化学腐蚀。另外还有抑制压力容器物理化学腐蚀的缓腐蚀剂，主要有氧化膜、沉淀膜以及吸附膜3种。氧化膜型缓蚀剂就是指其本身就是氧化剂，可以与金属发生作用，在金属表面形成紧密的氧化膜，阻碍金属离子化，从而减缓金属的腐蚀。沉淀膜型缓蚀剂就是在金属表面生成沉淀膜，可以通过缓蚀剂分子之间相互作用生成，也可以通过缓蚀剂与腐蚀介质中的金属离子作用生成，一般是在阴极区形成并且覆盖在其表面，阻断金属与介质之间的离子作用，减缓金属的腐蚀。吸附膜型缓蚀剂一般为有机缓蚀剂，其在腐蚀介质中对金属表面有良好的吸附性，可改变金属表面的性质，抑制金属的腐蚀。
3.3改善焊接质量
金属材料焊接部位的残余应力是导致腐蚀断裂的重要因素，通过提高焊接质量，可以有效消除残余应力，改善焊缝区域的金相组织，进而提高其耐蚀性[11]。目前，不锈钢材料焊接中应用最广泛的两种工艺是电弧焊与氩弧焊，无论采用哪一种工艺，都必须遵循钢结构焊接规范的相关要求。焊条等焊接材料要选择适用且经过相关质检机构检测之后的材料。压力容器焊接前，需充分考虑金属材料的淬硬性、焊缝厚度等因素，并做好预热工作[12]。为避免容器产生超标缺陷，焊接完毕后还需及时进行相应的热处理，并进行晶间腐蚀测试，最后进行超声波检测与射线检测[13]。
3.4采用电化学防护
电化学防护的基本原理是将待保护的金属材料变为原电池中的阴极，以抑制金属材料的阳极反应，减缓其腐蚀进程，包括两种方法：①牺牲阳极保护法，即将还原性较强的铝、锌等金属材料固定在容器上充当阳极，使金属容器变为腐蚀电路的阴极而受到保护。②外加电流阴极保护法，即通过外加直流电源的方式，强制电子从介质流向金属容器，使容器作为阴极被保护起来。采用外加电流保护法的关键在于低电压、大电流，且必须持续不间断供电[14]。
牺牲阳极保护法比较适宜于腐蚀性不太强的介质，如中性盐溶液，在强腐蚀介质中，由于活泼金属材料的消耗太大，故经济性较差。而外加电流阴极保护法是利用外加电源进行保护，可以有很大的功率，因此比牺牲阳极保护法适用范围更广。外加电流阴极保护法还可以根据保护情况随时调节电流大小，但需要配备一套直流电源和附属的电器装置，基本投资远高于牺牲阳极保护法，所以应综合考虑介质环境、防腐等级要求、经济性等因素选用电化学保护方法。外加电流阴极保护法广泛应用于地下管道、海水冷却设备、油库以及盐类生产设备的保护，在化工生产中的应用也逐年增多。如某碳钢制碱液蒸发锅，在施加外加电流阴极保护前，运行40～50 d焊缝处就开始产生应力腐蚀破裂，施加电化学保护后，2 a多都未发现破裂。某合成氨冷却器，无外加电流阴极保护时只能使用1 a，施加电化学保护后腐蚀基本停止。
3.5使用防腐涂剂
防腐涂剂通常由多种材料调配而成，包括人造树脂、植物油和浆液溶剂等。防腐涂剂一般用在腐蚀较为严重的设备表面，可直接涂到腐蚀部位，待涂料变干后就会形成一层带有许多微孔的薄膜，虽然该薄膜不能彻底隔离金属容器与介质，但可以增大介质向微孔扩散的阻力，有效抑制腐蚀电流，起到一定的防腐作用[15]。
3.6应用防护衬里
在化工生产过程中有一些腐蚀性极强的化学介质，而现有的金属材料无法满足这些介质的防腐要求，或者材料的价格极其昂贵而无法用于制作容器，这种情况下通常会为容器添加一层防护衬里。选择防护衬里时，应该严格依据文献[5]的有关要求，并充分考虑反应温度、压力以及介质的具体性质[16]。目前使用较多的衬里材料有玻璃钢、聚四氟乙烯、钛、不锈钢、搪玻璃等，其中钛、不锈钢等金属衬里对高温、高压的抵抗能力较强，但其造价较高，施工难度较大。而非金属衬里的造价相对低廉，但对高温、高压的耐受能力相对要差一些，应用场合有限[17]。
3.7加强管理维护
化工企业必须严格遵循压力容器的各项使用规定，认真落实容器检修工作，按计划进行检测、取样，及时掌握容器的腐蚀情况，发现容器腐蚀或缺陷时要尽快制定补救方案，以控制腐蚀的进一步扩散和蔓延，保证设备的安全运转。相关人员要加强对腐蚀设备的研究和分析，彻底清查腐蚀原因，制定相应的预防措施，防止同类问题重复出现，从而有效避免容器腐蚀，延长容器使用寿命。
4 结语
设备腐蚀是化工生产的重要风险源，特别是对于化工压力容器来说，腐蚀所造成的危害更大，后果更加严重，必须加强对容器腐蚀的重视程度，结合压力容器的工作环境来分析腐蚀规律与影响因素，并制定相应的防护举措，以抑制腐蚀进程，延长容器寿命，确保化工生产的安全稳定运行。
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(张编)
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
沈书乾(1979-)，男，江西九江人，高级工程师，硕士，主要从事特种设备的检验检测及安全评估工作。
