化工产品金属腐蚀与防护技术新进展

2022-12-29翟全林李庆军

化工设计通讯 2022年9期

张慧，翟全林，李庆军

（1.寿光富康制药有限公司，山东潍坊 262700；2.山东宇鸿工程咨询有限公司，山东潍坊 262700）

一般在化学装备设计中，都需要加强对其腐蚀条件的合理分析，而锈蚀控制系统则通常是由产品专业人员及有关负责人加以考虑并设计，但由于受多方面的客观因素负面影响，对化工产品防腐蚀措施仍存在着很多问题，并致使产品本身形成了很多的环境安全隐患。所以，就需要根据化工产品的应用环境、自身材料特点等加以合理分析，考虑其锈蚀因素、腐蚀类型等，有针对性地实施产品的防锈蚀控制系统，以提高防腐蚀措施的全面落实，从而提高化工产品的环境安全与使用效益。

1 化工产品腐蚀造成的经济损失

当下，化学制品有着应用广泛的特性，各种化学制品逐渐渗入了生活中。相关研究指出，世界范围内，每年大约有10%的钢铁成为废物，其主要成因就是腐蚀，部分关键化学装置因此还会引起负面影响。国内由于腐蚀原因而造成的经济损失已超过了200亿元。根据统计资料指出：金属腐蚀将会造成国民经济巨大的损失，一方面会导致国内生产总值减少，另一方面还会造成国民经济发展的缓慢。为此，许多化工厂家也在开展产品锈蚀、产品防腐对策方面的分析，力图迅速处理有关问题，以最大程度地增加公司效益、减少生产成本。

2 化工产品腐蚀成因分析

2.1 化工产品腐蚀成因

（1）内部原因。内在因素造成的锈蚀分为以下几种：材质因素，一般产品都是金属制造，各种材质的抗腐蚀效果有所不同。产品生产环节中，若技术工艺不精确也会造成产品出现严重锈蚀。但实践经验表明，产品表面防腐蚀工序对其后期的应用效率会形成直接影响。另外，若从产品外观、内部结构出发加以分析，其连接部位的不牢固也会导致产品锈蚀现象。

（2）外在原因。外在因素主要是指由于外部环境所造成的腐蚀。化工产品中，无法防止腐蚀性介质和原料，如酸、碱、氧化产物等，而且也可能遭受外部温度、空气相对湿度的危害。制造工艺中，应当注意使用规范性，防止其他污染物的进入。防止其他物料与产品原料发生复杂的副反应，减少产品腐蚀的概率。

2.2 化工产品腐蚀分类

针对化工产品锈蚀问题进行了简要划分。大致分为化工侵蚀、物理学侵蚀和电化学技术侵蚀三种。化工侵蚀大多为化工原材料引起，在产品生产和加工的过程中，金属原材料在与产品接触部位易发生化学反应，多为金属的氧化还原反应，从而引起工业产品锈蚀问题。物理学侵蚀多是在高温情况下引起的。在高温环境中，金属水解、侵蚀等均会产生物理学侵蚀效果，从而引起化工产品受到侵蚀。而电化学技术侵蚀则通常为制造过程中，金属材料与产品原材料电解质溶液间进行的电化学反应而导致，容易引起电气产品损伤、破裂，从而引起电气产品锈蚀问题。这一现象大多出现在低温、潮湿的工作环境中。化工生产环节中，腐蚀现象相当普遍，导致化工产品厂商蒙受了很大的损失，严重时还会使得化工产品的制造品质遭受影响。

2.3 电化学腐蚀

金属材料在环境中同电解质溶液接触时，与金属中的杂质以及与异种金属接触时产生电位差，从而构成腐蚀性原电池而产生金属腐蚀的现象，叫作金属电化学传感器侵蚀。侵蚀历史可包括两种，单独地并在一起完成的阳极（形成氧化物反应过程）和阴极（形成还原反应）阶段，在化学反应流程中主要由输出电流所生成的。其可分成析硫侵蚀和吸氧侵蚀二类。

2.4 化学腐蚀

金属材料在干燥气体或者非电解质液中产生纯物理化学效果所造成的腐蚀性损害叫作物理化学侵蚀。物理化学反应历程是指金属材料表面分子间由非电解液中的金属氧化物直接进行氧化物分解还原的反应，由于化学反应流程中无输出电流生成。因此在钢材冶金流程中，由于高热的氧化性气体影响在钢材表层，所产生金属氧化铁和脱碳的侵蚀现象也是物理化学侵蚀。

3 金属腐蚀防护手段

金属板材类型的多样性，决定了金属腐蚀保护手段的多样性。保护手段一般可包括金属表面处理、电化学防护及改善腐蚀环境等三大部分。

3.1 金属表面处理

表面处理过程，一般是指利用物理性质、化工和电物理化学等技术手段，在金属材料基体表面形成一个隔离保护膜，以阻止电解质溶剂和基体接触，从而起到减轻锈蚀的目的。

3.1.1 涂层防护

涂料涂层防腐有着漫长的发展历程，在金属基体表面涂覆一层涂层可隔离水分和空气接触的基底，从而产生防护效果。涂料防锈有经济、简单、高效、适用范围广泛的优点。而油漆涂装除去保护金属材料免受锈蚀的基本功能之外，尚有建筑美观、标志等的某些特种功能。而油漆防护则具有施工和维修过程简单、不受待涂装产品尺寸形状影响等优势。常见的油漆施工工艺有刷漆、辊涂、喷漆等，较常见的涂料有环氧树脂漆等。

3.1.2 金属层防护

金属表层保护，主要是指在基体表面包覆上一层金属或合金，使防护的对象同腐蚀介质完全隔离开来，以实现对基体金属表面产生防护的目的。在基体表层包覆上十几微米的保护膜，就能够提高金属材料的耐腐蚀性，从而节约了巨大的环境资源。覆盖金属表面保护膜的主要手段有镀层、化学镀、热浸镀、最大真空度镀等。从涂层性质与防护金属表面的阴极电位划分来看，有阳极性涂层与阴极性涂层二类。其中，阳极性涂层在造成损坏后仍对基体具有防护功能，而阴极性涂层在造成损坏后，则会加剧对基体锈蚀。

3.1.3 阳极氧化处理

外加电源并使金属材料与电源正极相连后，在外部电流与相应电解质溶液的共同作用下，在金属材料表层产生一氧化物层的工作过程就叫阳极氧化。阳极氧化工艺技术，一般使用于铝、镁、钛以及合金生产。这种金属表面本身也会产生一层较薄的金属材料氧化层，而天然氧化物薄膜层的所有金属材料性能均较弱。但通过阳极氧化处理后，在表层产生的几微米或几百微米的金属氧化物层更加紧密，耐蚀性、耐磨性和装饰性等性能都有了较大的改善。

3.1.4 氧化处理

抗氧化处理过程也是化学表面处理的一个常规手法，在强氧化剂的作用下，钢铁工件表层形成了1μm左右厚度的保护性抗氧化层，以隔离腐蚀性介质。抗氧化膜的色泽通常呈现发黑或蓝黑色，所以抗氧化处理过程又称之为发蓝处理过程。由于这些抗氧化膜膜层薄且具有较好润滑性，不危害零部件精细度，所以发蓝适用于高精密仪器、仪表、装备等的保护与装饰处理。

3.1.5 磷化处理

铁、锌等金属及合金在酸性的磷酸盐水溶液中浸泡后，与金属材料表层进行物理化学反应和电化学反应并产生磷酸盐物理化学膜的主要步骤就是磷化处理过程，产生的磷酸盐物理化学膜也叫作磷酸化薄膜。磷酸化也是常见的金属表面化工前处理技术，产生的磷酸化涂层可以为基体带来防护，有效隔离腐蚀性介质；同时增加了镀层漆膜对基体的黏附能力，因而增长了金属产品的使用寿命。

3.1.6 合金化处理

合金化处理，是指通过往金属材料中掺入其他微量元素（碳、镍、锰等），以进一步提高耐蚀性、耐磨度等性能的工艺技术。如对钢铁材料表层做渗碳渗硫处理，让碳氮元素直接加入钢铁材料表面层中，能明显提高钢铁材料的坚硬性能。而不锈耐酸钢是在普通钢铁产品的冶金过程中，添加钴、锰、碳等微量元素后所产生的特种钢钢产品，其抗腐蚀能力比普通钢产品有了较大改善，且具有更良好的热力学性能。

3.2 电化学保护法

电化学防护法是指利用电化学理论对各种金属材质进行保护措施，使之成为阴极或钝化，起到减轻锈蚀的目的。它一般可包括牺牲阳极的阴极保护法、外加电流的阴极保护作用法和阳极防护法等三类。牺牲阳极防护法一般是在基体上连接电位较低的金属或合金，后者通常在酸性电解质水溶液中作为阳极，而基体则被保留下来作为负极。有些埋地石油管线、连接电网系统等也使用此办法防腐蚀。与外加输出电源的阴极保护方法大不相同，阳极环境保护方法是使金属材料接收了外电后的正极材料，其基材电位超过较正的值，而后在金属表面形成氧化层，从而使金属材料的表面减少腐蚀性。因此阳极保护法方法适合于金属材料易钝化的系统，通常应用于氧化性较强的介质表面上。

3.3 改善腐蚀环境

改变金属材料所在的腐蚀环境，对于减小腐蚀速率非常有必要。最常见的手段就是通过加入缓蚀剂，又或者在金属材料的所处环境中添加慢化剂，能够有效减小其腐蚀速率。缓控释物的使用极少，通常在1%以内，但缓释作用却非常突出，所以缓蚀剂防腐被大量应用在油田、化学工业、交通、文物保护等领域。另外，在埋藏地管线附近回填干燥的沙土以防止管线直接和泥土接触，也是提高耐腐蚀能力的一个重要创新手段。

4 现代化工产品防腐策略分析

4.1 防腐设计

当下，在石油及化工装置的防腐蚀中，防腐蚀控制理论需要从起因出发进行剖析，由于腐蚀问题因素较多，还需要从主体、客体角度出发对其加以精细化、全面化地剖析。结合现代石油化工装置建筑设计现状进行分析，还需要保证建筑设计工作人员都具备了全面的防腐蚀基本知识，并结合装置工作环境、装置功用和生产特性等因素加以综合剖析。在装置设计中，还需要强化结构构造、防腐蚀计划、材质特征属性、设计制造工艺技术等进行剖析。近年来，随着我国现代电子计算机发展，先进的技术理念、理论体系等也逐步引进。仅就现代石油化工装置来说，工程设计人员就需要科学合理运用先进的生产工程设计方式，利用计算机辅助系统加以工程设计与优化，从而提升了装置安全等级、可靠性程度。另外，还必须确保与现代化工产品、结构材质的统一性，针对连接部位的缝隙、连接工序等实行严格控制。

4.2 表面预处理的有效控制

根据当代的化工产品防腐蚀管理状况，企业需要确定产品表面处理的重点，以提升产品表层的防腐蚀管理成效。结合实际情况分析可以看出，当代化学企业在生产操作中，应用最大的就是产品表层防腐蚀措施，主要分为表层喷砂、喷剂二类方案。在具体的实施环节中，企业需要根据化工产品表层构造、性能状态等因素加以处理。选择合适的表面预处理方式做好产品除杂，特别是表面腐蚀强烈、氧化物剧烈的地方，更需要加强注意。从产品表层实干度、洁净度等经过综合分析考量后，要选用适当的表层喷砂喷剂材质。另外，还需要根据产品生产环节中常见问题做好种类的选择工作，进一步提高表层材料的科学化、合理化，以期进一步改善产品表面耐腐蚀性的效果。材料配制期间，必须要结合适当的技术规范、以减少不标准化状况的出现，以提升喷涂效率。在作业环节中，也必须提升管控效率，以确保现代的化工产品在各部位都能覆盖到，以减少化学腐蚀问题的出现概率。

4.3 电化学保护的分析

电化学防护是根据现代化工产品腐蚀现状而提出的应对方法，重点是根据当代化学产品表面进行防护的方式，以防止因其与空气进行直接接触而产生的腐蚀问题，从切断电化学传感器腐蚀途径的角度考虑而进行保护。目前电化学防护主要分为阴极、阳极防护两种形式，不但能够达到保护一般腐蚀产品的效果，而且还能防止点侵蚀、冲击腐蚀等情况的出现；后者主要是指，及时将被防护的金属元器件与外部直接供电的正极进行连接，通过电解质水溶液进行防护作用。将其建立成相对固定的防护状态，减少锈蚀速率。

4.4 缓蚀剂的合理使用

现代化工产品的防腐蚀管理措施中，缓蚀剂为最常用方法之一，能对产品表面产生良好的防护效果，从而减少锈蚀速率。在金属性质的化工产品中，防腐蚀效应尤为明显。需要引起注意的是，这一方式对于金属化学产品来说，有着较为稳健的效果。因为缓蚀剂一般应用都比较简单，通常只在介质内部添加少许缓蚀剂便能实现抗腐蚀效应，并保证了其在发电机位置处产生明显吸附效果。当然，要确保缓蚀剂实现良好稳定的效应，还可根据金属现代化学产品进行表面特征化、环境效果的分析，从而实现对缓蚀剂类型的合理选用与优化。

4.5 化学介质浓度的限制

化工产品介质元素含量对产品侵蚀性有影响，由于设计工作是根据相关标准规范进行的，在产品制造环节中不同工况介质化学元素含量在初期不同时，就非常容易产生产品侵蚀性问题。如石油化工介质中可能会存在硫化氢、水等生化产物，极易增加产品侵蚀性效果。以焊接操作中为例，首先需要科学合理选择氢硫基、水的化学含量，并调节二者溶液浓度，以减少焊缝部出现腐蚀断裂的情况；焊后若未能及时进行热应力处理，则需要做好对氢氧化钠含量的适当控制，以确保温度、环境压力的合理控制，从而减少电气产品腐蚀断裂的概率。