压力容器的腐蚀预防措施*

2018-03-13罗永智陈体科高正成

机械研究与应用 2018年1期

张静，罗永智，陈体科，侯曦，高正成

(兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃兰州 730314)

0 引言

通常将金属在特定介质的作用下产生化学或电化学反应，自身遭到损耗与破坏或者原有的性质改变的过程称为腐蚀。压力容器[1]被介质腐蚀是一种比较常见的现象，其使用寿命被极大地缩短，造成资源和资金的浪费。在腐蚀严重的情况下，压力容器的强度性能下降很快，会导致其不能正常工作，甚至引发破坏性事故，严重危及人民的生命财产安全和环境安全。因此，对压力容器的腐蚀[2-4]进行讨论学习，掌握一些防腐措施是很有必要的，可以帮助技术人员对腐蚀有更全面的认识，对今后的设计工作是有益的。

1 全面腐蚀

全面腐蚀是指在压力容器的全部表面或大部分表面发生程度均匀的腐蚀，一般情况下，腐蚀速率是固定的，可以通过测量零件壁厚计算得出，是腐蚀中最容易防控、最安全的一种腐蚀形态。

防腐措施：①按介质的腐蚀性选择合适耐蚀材料，并根据腐蚀速率和预期使用寿命考虑腐蚀余量；②金属表面进行处理或表面涂层，保证设备的强度要求和使用寿命，如：提高金属表面质量，表面粗糙度越小，抗腐蚀能力越好；金属表面进行镀锌、发蓝处理；金属表面喷涂防腐漆等；③其他条件不变的条件下，金属材料的晶粒越细，其抗腐蚀能力越强；反之则越差；④在设计中采用多种金属材料组合的方式，充分降低耐腐蚀材料的成本，使设备既安全可靠，又经济合理，如：采用复合钢板、衬里、堆焊等结构；⑤将介质的流动速度控制的越慢，对压力容器的腐蚀程度越小；反之，流速越快，压力容器受腐蚀的程度也越大。

2 局部腐蚀

局部腐蚀是指压力容器的某一部分金属遭到严重腐蚀破坏，而其他部分受到的腐蚀程度比较轻。局部腐蚀的发生具有不确定性，不易被检验和发现，是腐蚀中不易防控、危险程度较高的一种腐蚀形态。压力容器的预期设计寿命不能仅仅根据腐蚀速率的经验数据来确定，还需要采取一定的防腐措施。工程设计中，常见的几种局部腐蚀如下。

2.1 点蚀

点蚀是典型的局部腐蚀，压力容器大部分的表面没受到腐蚀或只是被轻微腐蚀,只有在个别地方出现了若干个细小深孔(孔直径一般不大于孔的深度)，可能会导致材料穿孔，危害程度大。此种情况下，压力容器的预期设计寿命不能根据腐蚀速率的经验数据来确定。

防腐措施：①结构设计时尽量避免死区，防止发生积液；②制造过程中尽可能减少表面缺陷，如：凹坑、咬边、未熔合、裂纹、划痕等；③控制介质中的Cl离子含量；④采用抗点蚀能力强的含Cr、Mo和N元素的不锈钢材料；⑤进行酸洗钝化处理，不锈钢材料表面形成钝化膜；⑥控制非金属夹杂物含量，特别是硫化物,如FeS、MnS；⑦表面精整处理，如：抛光、研磨等。

2.2 缝隙腐蚀

压力容器的某些结构上存在缝隙，腐蚀介质在缝隙中聚集而不能被迁移，进而引发缝隙内金属被严重腐蚀的现象，称为缝隙腐蚀。缝隙的宽度在一定范围(0.025～0.1 mm)内才能引起缝隙腐蚀，因为宽度太小介质不能进入，不会造成缝内腐蚀；宽度太大则介质不会聚集，缝隙内、外腐蚀程度基本相同。常见的几种缝隙腐蚀如图1所示。

图1 常见的几种缝隙腐蚀

防腐措施：①改进设计，改善运行条件，避免死角区域介质沉聚，如：换热管与管板组装时增加贴胀，来消除或者减小换热管与管孔的间隙；采用全截面焊透结构等；②控制介质中的Cl离子含量，浓度越高，发生缝隙腐蚀的几率越大；③合理选择含有Cr、Mo、Ni、N元素的耐蚀材料。

2.3 晶间腐蚀

晶间腐蚀的机理是“贫铬理论”，即不锈钢材料的晶粒在晶界区发生腐蚀，由于晶界区腐蚀速度较快，导致晶粒之间的结合力下降或丧失的局部破坏现象。晶间腐蚀仅发生在奥氏体和铁素体不锈钢上，表现形式为金属破碎、强度丧失，敲击时都不会发生金属声音，是一种危害极大的腐蚀形式。

防腐措施：①选用超低碳不锈钢材料，因为含碳量越高，材料的晶间腐蚀的倾向越严重；②减少Ni含量可以抑制晶界碳化物沉淀从而减缓晶间贫铬趋向；③提高Cr含量可以使晶间贫铬区平衡量提高，有利于减弱晶间腐蚀倾向；④降低σ相含量，因为σ相在晶界区域析出会促进晶间腐蚀，而且会降低材料的力学性能；⑤由于不锈钢热处理温度高，应加快冷却速度，经历的敏化温度区的时间越短，越不易形成贫铬区；⑥对于一些特定的介质，应慎重使用不锈钢材料，如：盐酸、氯化物、醋酸、氟化物、尿素、甲酸，硫酸等。

2.4 应力腐蚀

应力腐蚀是金属材料、特定腐蚀性介质、应力三者共同作用而发生的一种破坏形式，发生时金属材料没有宏观体积上的塑性变形，不易被发现，具有突发性，这种腐蚀往往引起压力容器灾难性事故的发生。

防腐措施：①设计时避免结构突变，采取措施尽可能降低工作载荷、热应力等对设备的影响程度；②通过热处理消除或降低焊接残余应力、冷变形应力；③避免加工、组焊过程中造成的缺陷，如：划痕、气孔、咬边、未熔合等；④使用缓腐蚀剂，改变介质的腐蚀性；⑤控制材料的化学成分，降低材料硬度，选用耐应力腐蚀开裂的金属材料。

2.5 氢腐蚀

氢腐蚀是指高温高压条件下，氢侵入钢的内部不断聚集，并与钢中的渗碳体或不稳定碳化物析出的碳元素发生化学反应(Fe3C + 2H2= 3Fe + CH4；C + 2H2=CH4)生成甲烷，导致材料内部压力升高，致使钢材破裂的现象。常见的抗氢腐蚀的材料有： 1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、2.25Cr-1Mo-V、3Cr-1Mo等具有不同化学成分的类似钢。

防腐措施：①根据Nelson曲线合理选材，氢腐蚀的程度是随温度和氢分压的增加而增加的。但是Nelson曲线只是选材的基础，还需要制定合适的制造工艺来保证，主要有：材料技术要求、焊接要求，无损检测要求、制造过程中的节点控制，合适的热处理工艺等；②采用堆焊层或复合板，可以有效阻止或降低氢的渗透率；③加强管理和检测，严格执行工艺要求，避免过大的温度或压力波动，开停车符合操作规程。

3 腐蚀的检验

为了保证压力容器使用过程中的安全，TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[5]中要求对压力容器进行定期检验。压力容器的全面腐蚀和局部腐蚀在大多数情况下都可以通过直观检查的方法发现，但对晶间腐蚀、应力腐蚀和氢腐蚀采用直观检查是很难发现缺陷的，材料的晶间腐蚀严重时，采用锤击检查可能会有所发现。在日常的检测中，由专业的特种设备检验人员根据具体的腐蚀缺陷，结合设备的结构特点制定专门的、有效的、经济合理的检验方案，一般采用超声波检验、表面磁粉或渗透检测、金相组织检验、化学成分分析和硬度测定等检验手段对压力容器的腐蚀情况进行检查，然后出具检测报告，对安全状况等级进行评定。