石油金属结构的防腐蚀设计与工艺

马胜吉，段太波

（中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司，四川 成都 610213）

石油金属结构的防腐蚀设计与工艺

马胜吉，段太波

（中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司，四川 成都 610213）

在油气勘探开发中需要用到大量的金属结构件，这些金属结构件因需接触各种不同的介质或受设计制造工艺的影响，不可避免的会受到腐蚀。通过了解金属腐蚀的原因，掌握必要的防腐知识，在金属结构件的设计制造中，通过合理选择材料、优化结构和选择适当的制造工艺等手段进行必要的防腐蚀设计，可以大大延长金属结构件的使用寿命，降低使用风险，提高经济效益。

结构件；腐蚀；设计

1 腐蚀的定义、分类及危害

腐蚀是指材料在环境的作用下，引起的破坏或变质的现象，它包括化学腐蚀和电化学腐蚀。在生产生活中，经常因为材料腐蚀造成设施设备的过早损坏或报废，造成损失。据统计，腐蚀造成年经济损失约占各国国民经济总产值的2%～4%。在石油天然气勘探开发领域，由于对金属结构件的可靠性要求较高，加之金属结构件工作环境十分恶劣，材料腐蚀及其带来的危害就更为严重。据英国1970年统计，每年由于腐蚀带来的损失有1/3可以运用现代先进的防腐蚀手段加以克服。所以，对油气生产中经常使用的材料的腐蚀原理进行研究，对防腐措施、制造工艺进行优化是非常必要的。

根据金属腐蚀的形态，可以将金属结构件的腐蚀分为两大类：均匀腐蚀和局部腐蚀，均匀腐蚀又可分为成膜腐蚀和无膜腐蚀，而局部腐蚀则可分为孔蚀、缝隙腐蚀、脱层腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、选择性腐蚀、空泡腐蚀、摩振腐蚀、腐蚀磨损、氢脆、氢鼓泡、氢蚀等。由于金属的腐蚀一般都是相互联系相互影响的，金属结构件的日常腐蚀一般都是多种形态的综合作用，但是以局部腐蚀为主要形态。从危害性来说，局部腐蚀也要比全面腐蚀大得多。国外某公司对该公司10年来化工设备破坏事件的调查统计结果表明全面腐蚀仅占8%，其余92%都属于局部腐蚀的范畴。所以在金属结构件的设计制造中，应该特别重视预防金属材料的局部腐蚀。

2 金属结构件的防腐蚀设计

2.1 材料选择

由于作业环境的影响，金属结构件不但存在自然环境下产生的腐蚀，还会因为接触酸、碱、盐、卤素、有机介质等环境而产生腐蚀，以及不同金属材料的直接接触产生的电偶腐蚀。所以，在材料的选择上，必要结合结构件的用途、工作温度、接触介质、经济性等多方面因素考虑。但是，能够满足任何条件的防腐蚀金属材料是不存在的，所以就必须有所取舍、有所侧重。为了防止不同金属材料直接接触产生电偶腐蚀，相互直接接触的金属部件尽量选择同一种材料，或者选择电极电位接近的金属材料，也可以在两种金属的接触部位增加绝缘材料，或者减小电极电位更高的金属面积，尽量使电极电位较低的金属表面积增大。在满足相同功能的前提下，应尽量选择表面积更小的材料，这种材料预防全面腐蚀的效果通常更好。

2.2 结构设计

结构设计不仅决定着构件的强度，还会影响到构件的防腐蚀能力。结构设计要尽量选择简单合理的结构和形状，要方便维护和检查。尽量避免产生封闭的区域，如确需设计封闭区域，则要保持封闭系统的通风和排液顺畅。由于分段构成的结构件的连接部位耐蚀性比较差，因此，要尽量选择整体性构件。为了防止液体残留沉淀造成腐蚀，要尽量避免液体长时间残留在结构件中，尽量减少工作过程中的液体飞溅。不同部件的连接要选用正确的方式和设计，能够焊接的尽量采用不铆接。在铆接时，两块金属的重叠部分不可避免地会产生缝隙，在结构件使用和储存过程中，液体和灰尘会进入到缝隙中造成缝隙腐蚀。能连续焊的尽量不点焊或间断焊接。同样点焊和间断焊接也会留有缝隙，使金属产生缝隙腐蚀。能对焊的尽量不搭接焊，详细对比见图1。

由于灰尘中存在金属微粒，当大量的灰尘落在金属表面，可能形成微电池腐蚀。同时，灰尘容易吸收和储存空气中的水分，进而溶解灰尘中的电解质，形成电解质溶液，加速腐蚀过程，所以，应尽量避免装配后的结构件表面积存灰尘。

2.3 制造工艺

金属材料的焊接难以避免金属表面缺陷、晶相组织的变化和残余应力的产生，这些都将加速材料腐蚀的进程。同时，由于腐蚀介质和材料内应力的双重作用下，会使得材料表面产生应力腐蚀，所以焊接部件要尽量减小或消除残余应力。具体可避免的措施有：（1）焊接后的焊缝要及时打磨和清理，以改善表面状态，使表面无焊渣、焊疤、焊瘤等缺陷，提高防腐蚀能力。（2）在保证结构有足够的强度时，要尽量减少焊缝的数量和尺寸，尽量避免焊缝过于集中，焊缝间应保持足够的距离。（3）使用合理的焊接工艺。（4）采用去应力退火、喷砂、锤击等手段消除或减小残余应力。

为了得到优良的焊缝性能，选择与母材成分、性能相适应的焊条是非常重要的。如果焊材与母材性能不匹配，可能造成焊缝出现微裂纹等缺陷，加速焊缝的腐蚀。如果焊条材料的电极电位与母材相差较大，又容易产生电偶腐蚀。

在金属材料冷作加工时，材料的晶格将会扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，从而使表面层金属的硬度增加，减少表面层金属变形的塑性，也就是冷作硬化的现象。金属材料冷作硬化通常会产生残余应力，加速材料的腐蚀。一般热加工引起的残余应力较小，但因加热不均匀性、不适当的冷却操作工艺和所受温升条件的约束等，也可能产生危险的残余应力，此外加热引起的碳钢脱碳、不锈钢的敏化温度等影响也是不可忽视的因素。

2.4 表面处理

金属结构件的表面质量对其耐蚀性的影响是很大的，因此需要采取必要的措施对金属材料表面进行处理，常用的工艺是随材质和工作环境以及制造条件而选择的，常见的有打磨、酸洗、钝化、抛光、镀锌、氧化和涂装等。但在实际工作中，主要还是以喷漆涂装为主，喷漆涂装是金属结构主要的防腐蚀工艺，也是也是获得产品良好外观的重要手段。

金属结构件在喷漆涂装前，必须彻底去除涂装表面的锈蚀、灰尘、氧化层、油脂等各种杂质，以提高涂层与基体之间的结合力。涂料的选择上，按其功能有底漆、中涂和面漆。由于漆膜的附着力和耐蚀性主要依靠底漆层，所以选用的底漆应具有以下特性：有良好的附着力，所形成的漆膜应具有极好的耐冲击强度、硬度、弹性等机械性能，具备极好的耐腐蚀性、耐水性和抗化学药品的腐蚀性，具有良好的配套性和施工性。

图1

3 结语

金属材料的腐蚀无处不在，有效的预防能够极大地延缓腐蚀的进程。在金属结构件设计阶段增加必要的防腐措施，不但能够提高经济效益，还能避免很多安全事故的发生。在石油天然气勘探开发过程中，由于金属材料腐蚀造成的设备异常损坏、生产延误甚至安全事故时有发生。但在目前的金属结构件设计中，往往只会重视结构的功能、强度和美观，而忽略防腐蚀的设计，使防腐蚀设计成为了金属结构件设计中的薄弱环节。为了能够尽量减少金属材料腐蚀给生产生活带来不利的影响，加强金属结构件防腐蚀设计的研究和应用是非常必要的。在金属结构件的设计中，充分考虑腐蚀的预防具有极大经济价值。

[1]杨启明，吕瑞典.工业设备腐蚀与防护[M] .北京：石油工业出版社，2001.9.

[2]赵中敏.防腐蚀设计技术[J] .全面腐蚀控制，2007,21（5）:35～37.

[3]王春英，张瑞，张卫宏.工程机械的防腐蚀设计与工艺[J] .建筑机械化，2009,(9):41～44.

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