碳钢和不锈钢法兰连接的腐蚀问题及解决方案

徐庆东

福陆中国工程建设有限公司 （上海 201103）

石油化工设备作为石化生产的重要承压设备，对整个石化装置体系的安全平稳运行具有决定性作用。石油化工设备种类繁多，包括反应器、冷换设备、分离塔、压力储罐、传输泵以及连接的压力管道等。石化工程装置的运行工况复杂多变，承压设备在运行过程中往往受到各种酸碱腐蚀性溶液的作用，加之高温高压的环境会加剧其腐蚀，其性能和寿命都会受到损害，严重的腐蚀甚至会导致重大安全事故的发生，对生命财产造成巨大损失。

法兰连接是承压设备与压力管道之间以及压力管道组成件之间最普遍的连接方式。在石油化工装置中，碳钢法兰和不锈钢法兰配对连接的地方比较常见，这就引出了碳钢和不锈钢法兰连接的异种金属接触腐蚀问题。本文针对该腐蚀问题展开详细分析，对不同项目的解决方案进行讨论，以期为从事石油化工金属材料防腐工作的同仁带来帮助和启发。

1 金属腐蚀

1.1 金属腐蚀的定义

金属腐蚀指金属材料在外界环境（介质）中发生化学或电化学作用而引起的破坏或变质。

1.2 金属腐蚀的机理

根据金属腐蚀的过程，腐蚀总体上分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀是与环境介质直接发生化学反应而产生的破坏，最常见的是金属材料的氧化反应；电化学腐蚀是不纯的金属或合金在电解质溶液中发生原电池反应，比较活泼的金属失电子被氧化而消耗。[1]

1.3 金属腐蚀的分类

金属腐蚀的机理比较复杂，腐蚀现象也多种多样。一般情况下，按照腐蚀机理、腐蚀形态以及腐蚀环境等三个方面进行分类，具体如表1所示。

表1 金属腐蚀的分类

1.4 金属腐蚀的危害

腐蚀危害普遍存在于国民经济中的各行各业，如石油、化工、能源、交通、机械、食品、医药等。统计数据显示：每年因腐蚀造成的各种经济损失约占国家经济总量的3%～4%；全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约7000亿～10000亿美元；手表上的秒针每转过一圈半，世界上就有1 t的钢铁被腐蚀成铁锈。

从上述数据可以看出腐蚀对于自然资源及材料的消耗是惊人的。2017年4月24日是第9个“世界腐蚀日”，世界腐蚀组织主席、中国科学院金属研究所研究员韩恩厚在接受中央媒体采访时介绍说：“腐蚀是全人类共同面对的问题，涉及消耗资源、影响环境和人类健康。我国腐蚀总成本约为国内生产总值（GDP）的5%，腐蚀代价大于所有自然灾害损失的总和。”与地震、海啸等自然灾害相比，腐蚀的破坏力同样极强，同时因为腐蚀的发生悄无声息且时间漫长，容易被人忽视。

1.5 金属腐蚀的防护

针对金属材料发生的腐蚀类别，需要采取针对性的防腐措施。目前，石油化工领域主要采取的防护措施如表2所示。

表2 金属腐蚀的防护措施

2 碳钢和不锈钢法兰连接的腐蚀问题

2.1 碳钢和不锈钢法兰连接的腐蚀机理

碳钢和不锈钢法兰连接存在不同金属间接触的的腐蚀问题，主要存在以下2种腐蚀现象：

（1）渗碳：碳钢中的碳发生迁移，与不锈钢中的铬形成碳化铬。导致不锈钢材料局部形成“贫铬区”，在腐蚀介质作用下，贫铬区失去耐蚀能力，见图1。

图1 不锈钢晶界贫铬区示意图

（2）电化学腐蚀：不锈钢材料由于含有铬、镍等合金元素，电极电位高于普通碳素钢，在潮湿的环境下二者之间发生原电池反应，碳钢中的铁失去电子变成铁离子而受到腐蚀，同时与之接触的不锈钢材料受到铁离子污染，见图2。

图2 电子化学腐蚀机理

2种腐蚀情况往往同时发生并互相影响，若长期处于石油化工厂区的酸性潮湿大气或电解质溶液环境中，腐蚀会进一步加剧。

2.2 碳钢和不锈钢法兰连接的应用场合

在石油化工装置中，由于受到工艺条件、设备及仪表定型产品等的影响，碳钢法兰和不锈钢法兰配对连接比较常见，主要存在于以下场合：

（1）不同材质管道等级分界的法兰连接处；

（2）不锈钢设备管口与碳钢管道的法兰连接处；

（3）碳钢管线上不锈钢仪表的法兰连接处；

（4）碳钢管线上不锈钢特殊件的法兰连接处。

2.3 碳钢和不锈钢法兰连接的腐蚀危害

不锈钢法兰和碳钢法兰连接主要存在两种腐蚀现象：渗碳及电化学腐蚀。以奥氏体不锈钢材料为例，渗碳现象发生时，多余的碳不断向奥氏体晶粒边界扩散，与晶界附近的铬化合形成碳化铬。当晶界附近铬的质量分数小于12%时，就形成了所谓的“贫铬区”，从而发生晶间腐蚀，导致奥氏体不锈钢内部晶粒间的结合力受到破坏，大大降低金属材料的机械强度。更棘手的是：腐蚀发生在材料内部晶界间，而金属材料表面仍保持一定的金属光泽，因此问题难以被发现。

不锈钢法兰和碳钢法兰连接的电化学腐蚀危害同样应当引起重视。两种不同金属材质的钝化膜性质不同，稳定性也不同，在电解质溶液环境中接触后，由于电位差的原因会加速钝化膜的破坏，进一步加剧腐蚀。金属表面的斑斑锈迹不仅影响美观，也进一步威胁到石化设备的长期安全平稳运行。

2.4 碳钢和不锈钢法兰连接的防腐措施

针对不锈钢和碳钢法兰连接存在的腐蚀问题，可采取针对性的措施减缓腐蚀的进程，从而有效保护金属材料，延长其使用年限。在石油化工项目设计建设及实际运行维护中，主要采取如下3种防腐措施应对异种金属法兰连接的腐蚀问题：

（1）金属表面覆盖保护层，如油漆、油脂等，或电镀锌、铬等易氧化的金属，形成致密的氧化膜作保护层；

（2）碳钢法兰系统焊接锌块，腐蚀发生时，活泼金属锌代替碳钢中的铁元素失去电子受到腐蚀，从而使碳钢材料受到保护，即牺牲阳极式阴极保护；

（3）法兰连接密封面处选用绝缘垫片，紧固螺栓加绝缘套筒，螺母与法兰接触处增加绝缘垫圈。

3 碳钢和不锈钢法兰连接腐蚀问题的几点思考

3.1 异种金属法兰连接腐蚀现象发生的外部环境因素及影响

碳钢和不锈钢材料直接接触会发生渗碳现象。在石化工程领域，不同金属材料的压力设备、管材管件、仪表组成件等需分开存放，不得直接接触；不锈钢管道不得直接放置在结构碳钢梁上，需加装隔离垫（橡胶垫或不锈钢套筒）。异种材料不允许直接接触是目前工程设计、施工安装以及质量验收阶段普遍认可并遵循的基本原则。有一种观点认为，将不锈钢法兰件进行酸洗钝化处理，使其表面生成致密的钝化膜可以有效阻隔外界介质的腐蚀，且该工艺简单，只需常温浸泡即可。不锈钢表面钝化处理确实能起到一定的保护作用，但并不能一劳永逸。对于外界条件恶劣且复杂的石油化工装置 （如在高温高压下长期运行的压力设备及管道）来说，酸性腐蚀环境的长期作用及运营维护的外力干预等都会破坏不锈钢表面的钝化保护膜；随着环境温度的升高，渗碳速率也会加快。

电化学腐蚀的发生需要具备如下基本条件：不纯金属材料存在电极电位差且处于电解质溶液环境中。普遍观点认为:电解质溶液温度越高，腐蚀速率越快；电解质溶液的pH越小，腐蚀速率越快；电解质溶液中盐的浓度增加，腐蚀速率加快，当浓度进一步增加时，腐蚀速率又逐渐减小（溶液中氧的溶解度随盐浓度的增加而逐渐降低，去极化作用减小）。

3.2 异种金属法兰连接腐蚀防护必要性和经济性的平衡

异种金属法兰连接的腐蚀问题需要重视并应采取针对性的防护措施。笔者梳理了过去十年来参与过的国内外石油化工项目的腐蚀防护措施，具体参见表3。

从表3可以看出：金属表面覆盖保护层是石化工程装置普遍采取的保护措施，阴极保护措施应用不多，只针对标定为腐蚀环境恶劣的区域使用；海外项目额外考虑了绝缘垫片和螺栓绝缘套筒的使用，比国内石化项目更加重视异种法兰连接的腐蚀问题。近年来，石化企业高度重视安全生产和环境保护，也更加关注金属腐蚀的问题，力求达到安全生产和经济效益的平衡。

3.3 异种金属法兰连接绝缘垫片和螺栓套筒选用注意事项

针对不锈钢法兰和碳钢法兰连接的腐蚀防护，绝缘垫片、绝缘螺栓套筒和绝缘垫圈因具有局限性并没有被石化项目广泛采用。首先，垫片选用的依据是介质、温度以及压力等条件，只有在以上条件均满足的基础上方可考虑其绝缘性；其次，异种金属法兰绝缘后，对于输送可燃流体介质的管路需考虑法兰两侧单独静电接地，增加了接地成本；再次，高温、高压及腐蚀性介质管路用法兰绝缘垫片的价格相对较高，绝缘套筒及绝缘垫圈的使用也会增加项目成本。

表3 参与项目的异种法兰连接的防腐保护汇总（2007—2017年）

4 结语

在石油化工装置的设计、制造、建设以及生产运行阶段，专业人员需要高度重视压力容器和压力管道系统中碳钢和不锈钢法兰连接的腐蚀问题。在充分保证系统安全运行的前提下，结合装置的实际情况和工艺特点，经济合理地采取有效的防护措施；在定期维护和大检修期间，有针对性地进行腐蚀检测，及时更换腐蚀严重的金属材料部件，分析腐蚀发生的原因并提出相应的解决方案。

[1]董卫新.浅析石油化工机械设备的腐蚀与防护 [J].工业C， 2015(47):86，89.

[2]王怀义.石油化工管道安装设计便查手册 [M].2版.北京：中国石化出版社，2007.