徐慶東

福陸中國(guó)工程建設(shè)有限公司 （上海 201103）

石油化工設(shè)備作為石化生產(chǎn)的重要承壓設(shè)備，對(duì)整個(gè)石化裝置體系的安全平穩(wěn)運(yùn)行具有決定性作用。石油化工設(shè)備種類繁多，包括反應(yīng)器、冷換設(shè)備、分離塔、壓力儲(chǔ)罐、傳輸泵以及連接的壓力管道等。石化工程裝置的運(yùn)行工況復(fù)雜多變，承壓設(shè)備在運(yùn)行過程中往往受到各種酸堿腐蝕性溶液的作用，加之高溫高壓的環(huán)境會(huì)加劇其腐蝕，其性能和壽命都會(huì)受到損害，嚴(yán)重的腐蝕甚至?xí)?dǎo)致重大安全事故的發(fā)生，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。

法蘭連接是承壓設(shè)備與壓力管道之間以及壓力管道組成件之間最普遍的連接方式。在石油化工裝置中，碳鋼法蘭和不銹鋼法蘭配對(duì)連接的地方比較常見，這就引出了碳鋼和不銹鋼法蘭連接的異種金屬接觸腐蝕問題。本文針對(duì)該腐蝕問題展開詳細(xì)分析，對(duì)不同項(xiàng)目的解決方案進(jìn)行討論，以期為從事石油化工金屬材料防腐工作的同仁帶來幫助和啟發(fā)。

1 金屬腐蝕

1.1 金屬腐蝕的定義

金屬腐蝕指金屬材料在外界環(huán)境（介質(zhì)）中發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞或變質(zhì)。

1.2 金屬腐蝕的機(jī)理

根據(jù)金屬腐蝕的過程，腐蝕總體上分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類。化學(xué)腐蝕是與環(huán)境介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞，最常見的是金屬材料的氧化反應(yīng)；電化學(xué)腐蝕是不純的金屬或合金在電解質(zhì)溶液中發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失電子被氧化而消耗。[1]

1.3 金屬腐蝕的分類

金屬腐蝕的機(jī)理比較復(fù)雜，腐蝕現(xiàn)象也多種多樣。一般情況下，按照腐蝕機(jī)理、腐蝕形態(tài)以及腐蝕環(huán)境等三個(gè)方面進(jìn)行分類，具體如表1所示。

表1 金屬腐蝕的分類

1.4 金屬腐蝕的危害

腐蝕危害普遍存在于國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各行各業(yè)，如石油、化工、能源、交通、機(jī)械、食品、醫(yī)藥等。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：每年因腐蝕造成的各種經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)家經(jīng)濟(jì)總量的3%～4%；全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約7000億～10000億美元；手表上的秒針每轉(zhuǎn)過一圈半，世界上就有1 t的鋼鐵被腐蝕成鐵銹。

從上述數(shù)據(jù)可以看出腐蝕對(duì)于自然資源及材料的消耗是驚人的。2017年4月24日是第9個(gè)“世界腐蝕日”，世界腐蝕組織主席、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員韓恩厚在接受中央媒體采訪時(shí)介紹說：“腐蝕是全人類共同面對(duì)的問題，涉及消耗資源、影響環(huán)境和人類健康。我國(guó)腐蝕總成本約為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的5%，腐蝕代價(jià)大于所有自然災(zāi)害損失的總和?！迸c地震、海嘯等自然災(zāi)害相比，腐蝕的破壞力同樣極強(qiáng)，同時(shí)因?yàn)楦g的發(fā)生悄無(wú)聲息且時(shí)間漫長(zhǎng)，容易被人忽視。

1.5 金屬腐蝕的防護(hù)

針對(duì)金屬材料發(fā)生的腐蝕類別，需要采取針對(duì)性的防腐措施。目前，石油化工領(lǐng)域主要采取的防護(hù)措施如表2所示。

表2 金屬腐蝕的防護(hù)措施

2 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的腐蝕問題

2.1 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的腐蝕機(jī)理

碳鋼和不銹鋼法蘭連接存在不同金屬間接觸的的腐蝕問題，主要存在以下2種腐蝕現(xiàn)象：

（1）滲碳：碳鋼中的碳發(fā)生遷移，與不銹鋼中的鉻形成碳化鉻。導(dǎo)致不銹鋼材料局部形成“貧鉻區(qū)”，在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)失去耐蝕能力，見圖1。

圖1 不銹鋼晶界貧鉻區(qū)示意圖

（2）電化學(xué)腐蝕：不銹鋼材料由于含有鉻、鎳等合金元素，電極電位高于普通碳素鋼，在潮濕的環(huán)境下二者之間發(fā)生原電池反應(yīng)，碳鋼中的鐵失去電子變成鐵離子而受到腐蝕，同時(shí)與之接觸的不銹鋼材料受到鐵離子污染，見圖2。

圖2 電子化學(xué)腐蝕機(jī)理

2種腐蝕情況往往同時(shí)發(fā)生并互相影響，若長(zhǎng)期處于石油化工廠區(qū)的酸性潮濕大氣或電解質(zhì)溶液環(huán)境中，腐蝕會(huì)進(jìn)一步加劇。

2.2 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的應(yīng)用場(chǎng)合

在石油化工裝置中，由于受到工藝條件、設(shè)備及儀表定型產(chǎn)品等的影響，碳鋼法蘭和不銹鋼法蘭配對(duì)連接比較常見，主要存在于以下場(chǎng)合：

（1）不同材質(zhì)管道等級(jí)分界的法蘭連接處；

（2）不銹鋼設(shè)備管口與碳鋼管道的法蘭連接處；

（3）碳鋼管線上不銹鋼儀表的法蘭連接處；

（4）碳鋼管線上不銹鋼特殊件的法蘭連接處。

2.3 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的腐蝕危害

不銹鋼法蘭和碳鋼法蘭連接主要存在兩種腐蝕現(xiàn)象：滲碳及電化學(xué)腐蝕。以?shī)W氏體不銹鋼材料為例，滲碳現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，多余的碳不斷向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，與晶界附近的鉻化合形成碳化鉻。當(dāng)晶界附近鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12%時(shí)，就形成了所謂的“貧鉻區(qū)”，從而發(fā)生晶間腐蝕，導(dǎo)致奧氏體不銹鋼內(nèi)部晶粒間的結(jié)合力受到破壞，大大降低金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度。更棘手的是：腐蝕發(fā)生在材料內(nèi)部晶界間，而金屬材料表面仍保持一定的金屬光澤，因此問題難以被發(fā)現(xiàn)。

不銹鋼法蘭和碳鋼法蘭連接的電化學(xué)腐蝕危害同樣應(yīng)當(dāng)引起重視。兩種不同金屬材質(zhì)的鈍化膜性質(zhì)不同，穩(wěn)定性也不同，在電解質(zhì)溶液環(huán)境中接觸后，由于電位差的原因會(huì)加速鈍化膜的破壞，進(jìn)一步加劇腐蝕。金屬表面的斑斑銹跡不僅影響美觀，也進(jìn)一步威脅到石化設(shè)備的長(zhǎng)期安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.4 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的防腐措施

針對(duì)不銹鋼和碳鋼法蘭連接存在的腐蝕問題，可采取針對(duì)性的措施減緩腐蝕的進(jìn)程，從而有效保護(hù)金屬材料，延長(zhǎng)其使用年限。在石油化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)及實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中，主要采取如下3種防腐措施應(yīng)對(duì)異種金屬法蘭連接的腐蝕問題：

（1）金屬表面覆蓋保護(hù)層，如油漆、油脂等，或電鍍鋅、鉻等易氧化的金屬，形成致密的氧化膜作保護(hù)層；

（2）碳鋼法蘭系統(tǒng)焊接鋅塊，腐蝕發(fā)生時(shí)，活潑金屬鋅代替碳鋼中的鐵元素失去電子受到腐蝕，從而使碳鋼材料受到保護(hù)，即犧牲陽(yáng)極式陰極保護(hù)；

（3）法蘭連接密封面處選用絕緣墊片，緊固螺栓加絕緣套筒，螺母與法蘭接觸處增加絕緣墊圈。

3 碳鋼和不銹鋼法蘭連接腐蝕問題的幾點(diǎn)思考

3.1 異種金屬法蘭連接腐蝕現(xiàn)象發(fā)生的外部環(huán)境因素及影響

碳鋼和不銹鋼材料直接接觸會(huì)發(fā)生滲碳現(xiàn)象。在石化工程領(lǐng)域，不同金屬材料的壓力設(shè)備、管材管件、儀表組成件等需分開存放，不得直接接觸；不銹鋼管道不得直接放置在結(jié)構(gòu)碳鋼梁上，需加裝隔離墊（橡膠墊或不銹鋼套筒）。異種材料不允許直接接觸是目前工程設(shè)計(jì)、施工安裝以及質(zhì)量驗(yàn)收階段普遍認(rèn)可并遵循的基本原則。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，將不銹鋼法蘭件進(jìn)行酸洗鈍化處理，使其表面生成致密的鈍化膜可以有效阻隔外界介質(zhì)的腐蝕，且該工藝簡(jiǎn)單，只需常溫浸泡即可。不銹鋼表面鈍化處理確實(shí)能起到一定的保護(hù)作用，但并不能一勞永逸。對(duì)于外界條件惡劣且復(fù)雜的石油化工裝置 （如在高溫高壓下長(zhǎng)期運(yùn)行的壓力設(shè)備及管道）來說，酸性腐蝕環(huán)境的長(zhǎng)期作用及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的外力干預(yù)等都會(huì)破壞不銹鋼表面的鈍化保護(hù)膜；隨著環(huán)境溫度的升高，滲碳速率也會(huì)加快。

電化學(xué)腐蝕的發(fā)生需要具備如下基本條件：不純金屬材料存在電極電位差且處于電解質(zhì)溶液環(huán)境中。普遍觀點(diǎn)認(rèn)為:電解質(zhì)溶液溫度越高，腐蝕速率越快；電解質(zhì)溶液的pH越小，腐蝕速率越快；電解質(zhì)溶液中鹽的濃度增加，腐蝕速率加快，當(dāng)濃度進(jìn)一步增加時(shí)，腐蝕速率又逐漸減?。ㄈ芤褐醒醯娜芙舛入S鹽濃度的增加而逐漸降低，去極化作用減?。?/p>

3.2 異種金屬法蘭連接腐蝕防護(hù)必要性和經(jīng)濟(jì)性的平衡

異種金屬法蘭連接的腐蝕問題需要重視并應(yīng)采取針對(duì)性的防護(hù)措施。筆者梳理了過去十年來參與過的國(guó)內(nèi)外石油化工項(xiàng)目的腐蝕防護(hù)措施，具體參見表3。

從表3可以看出：金屬表面覆蓋保護(hù)層是石化工程裝置普遍采取的保護(hù)措施，陰極保護(hù)措施應(yīng)用不多，只針對(duì)標(biāo)定為腐蝕環(huán)境惡劣的區(qū)域使用；海外項(xiàng)目額外考慮了絕緣墊片和螺栓絕緣套筒的使用，比國(guó)內(nèi)石化項(xiàng)目更加重視異種法蘭連接的腐蝕問題。近年來，石化企業(yè)高度重視安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，也更加關(guān)注金屬腐蝕的問題，力求達(dá)到安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的平衡。

3.3 異種金屬法蘭連接絕緣墊片和螺栓套筒選用注意事項(xiàng)

針對(duì)不銹鋼法蘭和碳鋼法蘭連接的腐蝕防護(hù)，絕緣墊片、絕緣螺栓套筒和絕緣墊圈因具有局限性并沒有被石化項(xiàng)目廣泛采用。首先，墊片選用的依據(jù)是介質(zhì)、溫度以及壓力等條件，只有在以上條件均滿足的基礎(chǔ)上方可考慮其絕緣性；其次，異種金屬法蘭絕緣后，對(duì)于輸送可燃流體介質(zhì)的管路需考慮法蘭兩側(cè)單獨(dú)靜電接地，增加了接地成本；再次，高溫、高壓及腐蝕性介質(zhì)管路用法蘭絕緣墊片的價(jià)格相對(duì)較高，絕緣套筒及絕緣墊圈的使用也會(huì)增加項(xiàng)目成本。

表3 參與項(xiàng)目的異種法蘭連接的防腐保護(hù)匯總（2007—2017年）

4 結(jié)語(yǔ)

在石油化工裝置的設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)以及生產(chǎn)運(yùn)行階段，專業(yè)人員需要高度重視壓力容器和壓力管道系統(tǒng)中碳鋼和不銹鋼法蘭連接的腐蝕問題。在充分保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，結(jié)合裝置的實(shí)際情況和工藝特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)合理地采取有效的防護(hù)措施；在定期維護(hù)和大檢修期間，有針對(duì)性地進(jìn)行腐蝕檢測(cè)，及時(shí)更換腐蝕嚴(yán)重的金屬材料部件，分析腐蝕發(fā)生的原因并提出相應(yīng)的解決方案。

[1]董衛(wèi)新.淺析石油化工機(jī)械設(shè)備的腐蝕與防護(hù) [J].工業(yè)C， 2015(47):86，89.

[2]王懷義.石油化工管道安裝設(shè)計(jì)便查手冊(cè) [M].2版.北京：中國(guó)石化出版社，2007.