腐蚀是指材料(物质)在环境作用下引起的破坏和变质。环境作用包括化学、电化学、机械、生物等作用,及其它们的共同作用。
材料以硫化物、氧化物形态最为稳定,经精炼成为纯物质、合成物质(例如铁、不锈钢等)后变为不稳定状态,腐蚀是材料恢复稳定的方式之一。
腐蚀的危害
设备腐蚀会给设备带来故障和损坏(例如战斗机的坠毁)、服役期缩短、介质泄漏浪费等诸多直接不良后果;腐蚀也经常产生连锁不良后果,例如泄漏;,而泄漏则会引起火灾、爆炸、环境污染、人员伤亡等。
数据表明:腐蚀所导致的损失为GDP的3~5%,远超地震、水灾、风灾等自然灾害所导致损失的总和。基于3~5%推算,我国在2012年因腐蚀造成的损失为2万亿~2.5万亿元;而且,目前我国约有65%的压力容器爆炸事故、90%以上的地下管道破裂均由腐蚀导致。(见2013年7月22日《中国化工报》)
从源头上预防
据李金桂教授的分析数据表明:在我国航空工业飞机重大腐蚀导致的故障件数中,设计与制造人员处置失误的原因占了85.3%。
也就是说,在一些行业,设备腐蚀的预防需在前期设计与制造过程中多下功夫,这就要求设备设计与制造人员具备相称的腐蚀预防知识与技巧。而对于易被腐蚀、或腐蚀会造成严重后果的设备采购方与使用方,则在采购之前,就应对设备的腐蚀预防措施进行严格把关。
腐蚀产生的原因
产生腐蚀的原因较为繁杂,从人员技能、物质运动的维度进行归类,主要有:
1、设备设计和制造人员缺乏必要的防腐知识与技巧(例如:在设备内部的湿气易集聚区域,未预留通风口);
2、设备(部件)本身的耐腐蚀性不够(例如:在有盐酸、硫酸的环境中,不锈钢部件较易生锈);
3、未有效隔离、消除或抑制致腐的环境因素(例如:盐雾未被排走而集聚,致金属部件生锈);
4、设备(部件)未设防腐蚀层、或防腐蚀层的耐腐蚀性不够(例如:在强酸、强碱环境中,若采用普通油漆作为防腐蚀层,则其作用有限,需改用“陶瓷涂料”);
5、设备的安装、储运、使用与维护人员未采用恰当的防腐蚀措施(例如锅炉用水未经软化、脱气,也未加缓蚀剂)。
腐蚀的预防与治理
腐蚀预防与治理应贯穿设备的全寿命周期,含设计、制造、储存、运输、安装、使用、维护等环节。常见的腐蚀预防与治理要求有:
1、合格部件(材料)
必须选用耐蚀性合格的部件(材料),即对设备主要腐蚀因素有针对性,且性价比合理。
设备腐蚀因素,包括介质成分、数量(含量)、温度、流速、压力(或应力)等。例如:在设计海轮时,必须考虑海水所富含的氯化钠对船体钢铁的腐蚀;而温度每上升10℃,腐蚀速度便快1~3倍。
2、优化结构
设备结构设计宜遵循“简、阻、排、通风、封、散、增”的原则:
“简”:在满足设备功能、性能的前提下,设备结构应尽量趋于简单,复杂的设备结构既相对容易产生腐蚀点,也不利于实施查看和维护;
“阻”:可阻止腐蚀性介质(水、酸雾等)进入或积聚;
“排”:可把设备内部的腐蚀性介质排出;
“通风”:通风良好以避免腐蚀性介质的凝结、垢化;
“封”:必要时,对易蚀零部件进行单个或整体密封;
“散”:尽量避免应力集中以使应力均匀分散(以预防应力腐蚀开裂、氢损伤和氢脆等);
“增”:增大部件的腐蚀余量。
3、致腐环境
在确保工艺符合要求的前提下,应采取有效措施,以消除或抑制致腐的环境因素。例如:增设脱水、脱盐装置;依据致腐环境因素的特性,添加缓蚀剂、钝化剂、中和剂等。
4、衬里
所谓衬里,即管道或容器内表面复合的一层耐蚀材料,用以保护金属或其它基体免受各种介质(酸、碱、无机盐及多种有机物)侵蚀。衬里应具备合格的附着性、耐磨性、抗冲击性等。
常见的衬里有块材衬里、纤维增强塑料衬里、铅衬里等。衬里的施工要求,应符合GB50726《工业设备及管道防腐蚀工程施工规范》。
5、阴极保护法
金属防腐常采用阴极保护法,其分两大类:牺牲阳极保护法、外加电流保护法。
牺牲阳极保护法:将还原性较强金属(例如锌合金、铝合金、镁合金等)连于被保护金属,构成原电池,腐蚀介质产生作用时,还原性较强金属作为负极发生氧化反应、消耗,而被保护金属作为正极就可以避免腐蚀。
外加电流保护法:将被保护金属和电源负极相连,再将能导电惰性材料和电源正极相连,使被保护金属电位低于周围环境而得到保护。外加电流保护法由辅助阳极、参比电极、直流电源、电缆等组成。
对于泡于水中、埋于地下的管道或金属构筑物,一般需要采用“双保护技术”,即阴极保护法加上防腐层,方可取得更好的防腐效果。
6、表面工程
据李金桂教授的总结,表面工程技术含三类:涂镀层技术、表面改性技术、薄膜技术。其中涂镀层技术应用最为广泛(我国防腐开支的约2/3用于涂镀层)。
涂镀层技术:含金属电化学沉淀(锌镀层、镉镀层等)、有机涂层(环氧树脂、聚氨酯等)、无机涂层(B-1000高温陶瓷涂层等)、热浸镀层、防锈材料(防锈水剂、防锈切削液等)。
表面改性技术:含表面形变强化(喷丸强化等)、表面热流强化(电子束表面淬火等)、离子注入、表面合金化、化学转化、电化学转化等。
薄膜技术:含光学薄膜、防护(防热、防潮)薄膜、光电子学薄膜等。
7、勤于维护
对于腐蚀风险较高的设备密集型企业,应就腐蚀预防与治理开展培训,以确保相关人员具备相称的知识与技巧。
设备操作人员,应积极开展自主维护(日常清扫、日常点检、日常维护)。
专业设备维修与管理人员,应积极开展腐蚀监测与专业维护。例如:编制腐蚀分布图和监测方案;建立腐蚀监测一览表;汇总监测数据;分析腐蚀状况;计算腐蚀速率;实施防腐蚀对策等。
腐蚀监测
腐蚀监测的方法较多,可分为两大类:直接监测、间接监测。腐蚀监测需事前确定责任者、监测点、监测方法、频次、记录等。
监测点的选取十分关键,一般优先考虑如下部位:有水凝结处、腐蚀介质浓缩处、管道急流处(例如弯头)、高温高压处等。
直接监测即直接可获得结果的监测,例如腐蚀失重、腐蚀电流。直接监测的工器具有:腐蚀挂片、电阻探针、交流阻抗探针、电化学噪声探针等。
间接监测即间接获得结果的监测,其工器具有:超声波测厚、红外线温度图谱等。近年已出现腐蚀监视软件系统,但目前国内企业应用尚不普遍。
再制造工程
对于经常遭到侵蚀的价格昂贵、或用量巨大的设备设施,需要考虑再制造工程。
据徐滨士院士介绍:吉林油田将9505吨废旧油管再制造成7967吨金属陶瓷复合油管,在7个采油厂300多口油水井中应用3年多未发现腐蚀、磨损、结垢,使用寿命是新油管的5倍以上。按N80油管0.76万元/吨计算,7967吨再制造油管长期使用,可为油田节省投资24220万元。
应急响应与准备
鉴于前文所述腐蚀导致压力容器爆炸、地下管道破裂的惊人比例,故对于潜在的严重腐蚀危害,有必要策划演习方案并实施。演习方案可包括:地理范围、设备、事故类型及等级、人员、逃生路径、救急措施、通报渠道与方式、演习日期与时间等。
对于演习的结果,应进行严格评价并进行纠偏,以确保腐蚀事故万一发生时,能最大化减少或减轻人员伤亡、财产损失、环境污染等不良后果。
设备腐蚀给各行各业已带来巨大的损失和危害,但我国企业却仍普遍处於粗放的管理阶段。但愿随着“世界腐蚀日(每年4月24日)”到来,设备腐蚀的防治将有所好转。