化工设备腐蚀与腐蚀控制的措施

王忠悌(沧州鑫泰管业有限公司，河北 沧州 061000)

0 引言

化工设备是化工生产得以开展的必备条件，如果化工设备出现问题，不仅会严重影响化工企业生产效率和经济效益，也不利于化工企业的良性发展。在化工企业生产过程中，最常见的化工设备问题就是化工设备腐蚀现象，一旦化工设备受到腐蚀，在缩减化工设备使用寿命的同时产生大量的生产安全隐患。因此，这就要求化工企业在详细了解和掌握化工设备腐蚀现象形成原因的基础上，科学探索并落实针对性的化工设备防腐蚀策略，以便为化工生产安全顺利开展提供有效保障。

1 化工设备防腐意义

化工企业的化工设备因受到诸多腐蚀性因素的严重破坏，不仅其使用年限大幅缩短，也会影响到化工企业的质量和产值，严重时还会带来人身和财产安全事故。因此，化工企业应对化工设备的严重腐蚀提起高度重视，以切实可行的针对性措施加以防范。防腐处理就是化工设备的有效防腐手段，腐蚀性介质因防腐处理而与化工设备易腐蚀区域隔离，将腐蚀问题降速，从而延长使用年限。而且通过防腐处理，可减少因设备腐蚀后引发的事故，保护了企业的人身财产安全，减少了生态环境威胁。同时，以防腐手段处理化工设备，化工生产和企业效率都可得到有效提升，化工企业也可以获得长期发展的续航动力[1]。

2 腐蚀机理

腐蚀因素有狭义与广义两种概念含义：广义层面是周边环境和化工材料的互相影响，最终改变化工材料的本来性状；狭义层面即金属在环境因素的影响下出现物理溶解或化学反应，给金属表面带来逐渐损害。

这里只讨论狭义层面的化工腐蚀。通常狭义腐蚀有两种机理：

(1)电化学腐蚀机理。电化学腐蚀机理主要腐蚀金属材料。金属材料接触到外部环境中的腐蚀性介质而出现化学反应，期间化工设备上的金属材料起到阳极作用，腐蚀性介质成为阴极，二者相互作用致使化工设备受到电化学腐蚀，设备的整体质量和性能会受到严重影响，出现各种运转故障。

(2)大气腐蚀机理。金属材料是制造化工设备的主要原料，当所处环境含有大量污染物质时，与金属材料产生反应而腐蚀，这就是大气腐蚀。化工企业的生产过程会有酸性物质排放到周围大气中，它们接触到金属材料表面就会有化学反应产生，从而腐蚀化工设备，给设备的正常运转带来各种干扰[2]。

3 化工设备腐蚀原因

3.1 化工生产内在因素的影响

(1)化工设备自身材料抗腐蚀能力不够强。金属材料是制造化工设备的主要原料，金属材料的质量和性能直接决定化工设备的最终质量。通常金属材料会持续增大晶体密度，也因此带动化工设备提升抗腐蚀性能。目前的国内一些化工设备所用金属材料抗腐蚀性能不够强，一旦周围环境提供了腐蚀性因素，化工设备极易受到严重腐蚀。

(2)溶液性质影响。在化工企业的生产过程中，酸碱溶液的用量很大，由金属材料制造的化工设备接触到酸碱溶液后会产生化学反应，致使化工设备受到严重腐蚀。如果化工设备接触到化工生产所用的酸碱溶液，操作人员清理不及时、不彻底，残留的酸碱溶液就会腐蚀设备表面，致使化工设备的运转过程出现各种故障[3]。

(3)部分化工设备结构设计不合理。在化工设备制造过程中，因自身不合理的结构设计，也会在投入使用后容易产生各种腐蚀。举例来说，化工设备由各种各样的零部件共同构成，部件之间必定会有衔接，衔接方式多为焊接，这样一来会有大量沟槽和缝隙存在。化工企业的生产过程会有大量酸碱溶液投入使用，之后会有少许酸碱溶液残留在沟槽和缝隙部位，时间一长就会腐蚀到化工设备，使得设备老化速度加快，大幅缩短使用年限。目前国内在化工设备制造方面，一些设备表面不够光滑，具有很高的粗糙度，极易在腐蚀性介质的侵扰中造成腐蚀，从而影响正常运转[4]。

3.2 外在因素影响

(1)化工生产环境因素。化工企业的生产过程会有大量腐蚀性气体和液体在空气或容器中流动，一旦化工设备被腐蚀性液体浸染，环境气流流动会使液体流动增速，会有越来越多的设备面积接触到腐蚀性液体，腐蚀面积也会越来越大。如果化工设备的密实度达不到化工企业的生产使用标准，化工设备就会受到大面积腐蚀，使设备腐蚀程度越来越重。

(2)化工生产人员安全意识不强。化工企业的生产过程有很高的危险性，要求相关人员必须具备高度的安全防范意识。因此，化工企业必须加大对生产人员的安全培训力度，尽量控制生产过程不发生安全事故。目前，一些化工企业迫于市场竞争压力和压缩生产成本的需要，自动化技术在化工生产领域的应用越来越广泛，在一定程度上提升了化工企业向自动化转型的水平。但因此使部分生产人员降低了安全意识，错误认为自动化操作不会发生事故。再加上有一些多道工序是自动化技术无法应对的，必须由人工操作来完成，因此仍需要强调生产人员的安全防范意识，避免操作失误导致设备腐蚀加重，给化工企业生产造成不良影响。

4 化工设备防腐策略

4.1 选择防腐材料作为化工设备原材料

金属材料是制造化工设备的主要原料，它的抗腐蚀性能会直接影响到化工设备的抗腐蚀性能。化工设备所处的应用环境各种各样，对它的制造工艺也有各不相同的技术要求[5]。有的需要良好的抗高压性能，有的需要抗高温性能，有的对抗冻性能要求较高，还有的需要极强的抗腐蚀和抗毒性能。

在为制造化工设备选择原材料时，需要结合日后的生产工艺进行适配选择。这就要求化工设备的制造厂家对原材料的选择，必须对包括温度、压力、工艺以及生产介质等在内的技术要求进行综合考量，力求材料选择的准确性。举例来说，硅铸铁或铝合金材料钝化性能明显，抗腐蚀能力很高，如果接触到外部环境的腐蚀性介质，会在表面有钝化保护膜生成，保护化工设备表面不会因腐蚀性介质受到腐蚀侵害。同时，如果以碳钢材料为化工设备的原材料，这种材料会接触到强氧化介质后有钝化保护膜生成，也会起到很好的防腐效果。如果需要设备具备较强的抗酸化能力，铅性材料是合理选择，通常铅性材料质量分数普遍比96%的冷硫酸和80%的热硫酸溶液都要低，接触到类似物质时设备表面会有钝化物生成，起到很好的保护作用。而且，如果压力性容器环境没有过高温度，需要选择塑性和物理强度高的原材料；如果使用环境常年处于高温环境，则要重点关注材料的抗疲劳性能，同时还要综合考量生产环境的空气成分和湿度，尽量控制腐蚀性介质浓度，避免化工设备的严重腐蚀[6]。

4.2 加强电化学腐蚀防范

若要减少腐蚀性介质对化工设备造成的严重侵害，化工企业要在日常管理工作中重点关注化工设备，可把化工设备设置成原电池的阴极，在确保安全防护的前提下额外对设备施加电流，通过电流作用转化设备金属材料的原有性能，为设备配置阴极属性，从而大幅降低电化学腐蚀因素对化工设备的不利影响。同时，也可以利用牺牲阳极的方式使设备的抗腐蚀性能得到提升，达到保护化工设备的目的。若化工设备没有达到正常的电势标准值，金属材料就可以实施阴极属性转化；相反金属材料就可以实施阳极属性转化，起到对金属阴极的保护，压缩金属材料出现腐蚀危害的几率。

4.3 完善化工设备结构设计

工作人员在设计化工设备时，需要综合考量化工设备使用过程的环境、用途以及性质等因素，依据防腐理论对设备结构进行合理设计。期间还要重点考虑原材料性能、生产工艺和设计工艺以及防腐处理方案，充分吸收先进的设计理念技术应用，为化工设备设计出科学合理的结构方案，确保生产的化工设备投入使用后发挥最佳的安全稳定性效果。同时，结构设计方案要突出化工设备的抗腐蚀性能，这就需要针对零部件衔接处的沟槽、焊接缝隙等进行有效处理，以防腐材料涂刷焊接作业的缝隙或点位，在确保精准焊接的基础上提升设备的抗腐蚀性能，确保化工设备的安全使用，延长使用年限。同时，化工设备的结构设计方案要尽量压缩焊接点位数目，严防沟槽和缝隙以及点位过和设备余高，衔接设计越简约越好，规避局部震动的问题出现，使设备结构达到最优化，从而提高抗腐蚀性能[7]。

4.4 加强化工设备表面的防腐处理

以防腐处理方式对化工设备表面进行合理处置，是提升设备抗腐蚀性能的有效途径，是设备腐蚀性危害的有效缓解方式。化工设备的防腐处理具体方式是，以防腐材料对化工设备暴露在空气中的表面区域进行涂抹，隔绝化工设备表面接触外部环境腐蚀性介质的途径，防止腐蚀性气体和液体腐蚀设备表面，为化工设备腐蚀危害降速。同时，如果化工设备表面已经出现了轻度腐蚀，可通过喷雾或喷砂形式清洁设备表面，使其保持干燥整洁。此时需要科学配置喷雾剂，要对喷雾剂的碱性剂、稀释剂以及辅助剂的剂量给予科学适配，喷涂作业要选择最佳喷涂技术，确保防腐处理达到预期效果[8]。

4.5 科学化的生产作业模式

在化工企业的生产过程中，要求管理工作高效科学开展，安全管理一刻也不能放松。随着国家经济的高速发展，科学技术也在突飞猛进，市场对化工产品的质量要求越来越高。很多化工企业为了发展需要，建立起了先进的生产管理模式，企业的生产质量和效率得到了很大提高，保障了化工企业生产过程实现科学管理和有力控制，减少了因人为失误引发的安全事故。同时，生产模式向科学化方向发展，把生产过程先进技术应用的优势充分发挥出来，使人力物力成本得到有效控制，企业因此获得更多经济效益。在市场经济体制条件下，各行各业都面临巨大的竞争压力。化工企业若要取得长足发展，应在生产过程中大力推广生产模式的科学化，利用科学技术，落实安全管理并贯彻到具体生产工作中去[9]。

4.6 健全安全生产管理制度体系

化工企业的生产过程是一个危险等级比较高的行业，很多化学原料和衍生物具有易燃易爆的性质，给企业和工作人员带来生命财产威胁。如果化工企业的安全管理体系不够健全，容易发生重大安全事故，不仅有损企业形象，社会形象也会大打折扣。化工企业若想实现长久的安全稳定发展，应科学制定并不断优化完善安全管理标准，以高效的管理制度把安全事故的发生概率降到最低。

4.7 及时维护保养生产设备

对化工设备开展管理工作非常重要，化工设备所处环境充满了酸性物质和水蒸汽等，长期暴露在空气中，极易出现腐蚀，轻则给设备的正常运转造成不良影响，导致产品质量下降，重则发生安全事故，出现重大的人身和财产伤亡损失。这就要求化工企业加强安全管理，对化工设备进行及时维护保养，对生产过程的每道工序流程进行认真排查，及时发现并处理潜在的腐蚀危害和外泄隐患。在维护保养过程中，要进行严格细致的工作记录，为后续的安全管理提供可靠依据。同时，化工企业生产不仅要加强安全管理，还要注重引进先进理念和技术手段，及时维修和更换老旧设备，实现化工设备的快速升级，为企业创造更大经济效益[10]。

5 化工设备防腐设计案例分析

5.1 设计有限元优化模型

在化工设备的设计方案中，必须对结构进行防腐设计，对化工设备的零部件展开综合分析并优化设计，以此提升化工设备的抗腐蚀性能。在此期间，需要对使用过程的变量进行全盘考虑，这就需要设置几何参数，如：接触面积、节点坐标都是必要参数，以约束条件为基础选择变量优化目标，结合腐蚀集中系数或结构面积最小化，目标的优化函数由此形成。举例来说，隐式函数中的变量是性能约束条件和目标函数，灵敏度数据不能直接得到，此时可以引入有限元方法优化计算方式，结合设计方式的传统做法，确保化工设备零部件结构设计达到应有的防腐性能。同时，在优化化工设备的零部件结构设计时，需要改变零部件原有的边界形状。但此时随之改变了单元形状，如果情况严重会扭曲网格，此时必须通过扭曲测试才能确保最佳优化效果[11]。

设计变量是化工设备生产过程接触产品的面积，目标函数接受优化后以F(t)代表，t代表设计变量向量。然而实际上，优化化工设备零部件设计的过程有很大难度，需要设计构建相当复杂程度的相关模型才能完成。通过对有限元方法加以充分利用，再结合类型多样的单元分析零部件运行期间的腐蚀动态和灵敏度分析，结合相关公式并利用优化后的模型，确保结构设计方案的合理性。

5.2 获取设备防腐优化结果

较之优化模型的传统形式，通过有限元方法进行优化后的结构设计模型，进一步简化了计算程序，加快了防腐结构设计进度。虽然计算步骤被精简，但结果的精准度却大幅提升，非常适合生产需要。化工设备的防腐结构优化完善需要把优化理念贯穿设计过程始终，通过专业适用软件模拟化工设备生产过程的腐蚀动态，进而使结构设计得到全面优化。充分发挥有限元方法的最大价值，对结构优化设计过程积极利用，从而达到化工设备防腐结构优化设计的目的。求解有限元增量，对腐蚀动态进行高仿真模拟，在专业软件上显示其结果图，对腐蚀部位做到及时准确检测后从而快速补救。

化工设备的防腐结构优化设计给出了最终结果，相关人员须据此对设计方案进行科学论证，就设计缺陷提出合理完善建议，经多次论证和调整之后，使设备的结构设计得到全方位的优化，同时涵盖改变参数结构和装配约束。装配约束在约束关系的基础上再次确定，参数结构以运行结果为依据构建零部件的新有限元模型，进行修改设计，结合精准分析确认该设计方案与防腐要求的匹配度。有限元方法不但能确保化工设备现有性能被有效保留，还能利用阴极保护使设备的抗腐蚀性能稳步提升。从目前化工企业的应用实践来看，化工设备实施结构防腐优化设计，对抗腐蚀性能提升成效显著。

6 结语

在化工生产过程中，很多化工材料都具点腐蚀性特点，化工设备长期处在腐蚀环境中运转，不可避免地会出现腐蚀现象。一旦出现这种现象，不仅会影响化工性备运行的稳定性和化工设备使用寿命，也极易导致化工生产安全事故的发生。因此对于化工企业来说，有效分析化工设备腐蚀原因，合理探讨并严格实施化工设备腐蚀控制措施，具有重要意义。