化工設(shè)備腐蝕機(jī)理研究及腐蝕監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

李 曉

（南京化工技師學(xué)院，南京 210048）

化工設(shè)備腐蝕機(jī)理研究及腐蝕監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

李 曉

（南京化工技師學(xué)院，南京 210048）

對(duì)化工設(shè)備腐蝕機(jī)理進(jìn)行深入研究，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)合理的腐蝕監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)化工企業(yè)的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

化工設(shè)備 腐蝕機(jī)理 監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，設(shè)備腐蝕為化工廠帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡日益嚴(yán)重。在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)作的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備腐蝕速率及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的在線腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速。同時(shí)，此技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)石化企業(yè)的重要研究課題之一。

1 設(shè)備腐燭機(jī)理類型

根據(jù)化工設(shè)備腐蝕作用機(jī)理，金屬腐蝕機(jī)理主要包含化學(xué)、電化學(xué)、生物及物理四種腐蝕類型。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，化學(xué)與電化學(xué)腐蝕在化工企業(yè)比較常見(jiàn)，尤其電化學(xué)更是普遍存在。

1.1 化學(xué)腐蝕

該腐蝕主要是指金屬表面直接與非電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而對(duì)金屬造成一系列破壞。如果發(fā)生氧化還原反應(yīng)，不會(huì)形成腐蝕電流，此種情況下化學(xué)腐蝕會(huì)從屬于化學(xué)多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。比如，在干燥氣體中金屬受到腐蝕，在四氯化碳及中銀成分受到腐蝕。必須要注意的是，化學(xué)腐蝕其介質(zhì)中沒(méi)有水分。但在實(shí)際生產(chǎn)中，單純的化學(xué)腐蝕非常少，主要是由于介質(zhì)含水量低，化學(xué)腐蝕會(huì)轉(zhuǎn)換為電化學(xué)腐蝕。因此，化學(xué)腐蝕是在無(wú)水干燥氣體或有機(jī)溶劑情況下出現(xiàn)的腐蝕。

1.2 電化學(xué)腐蝕

這種腐蝕主要是由于金屬與電解質(zhì)溶液間出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，從而對(duì)金屬造成損害。相較之化學(xué)腐蝕，其主要包含陽(yáng)極與陰極兩個(gè)同時(shí)存在又相互獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的腐蝕電流。因此，該腐蝕從屬于電化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理。該腐蝕比較常見(jiàn)，且其帶來(lái)的傷害也是最大的。

2 影響金屬腐燭的主要因素

腐蝕類型不同，其影響因素也不同。就影響因素的本質(zhì)而言，金屬腐蝕主要包含金屬物理、化學(xué)及力學(xué)三大類影響因素。其中，金屬物理主要是材質(zhì)及組織結(jié)構(gòu)等對(duì)腐蝕造成的影響；金屬化學(xué)主要是造成金屬腐蝕的相關(guān)化學(xué)因素，如介質(zhì)、離子濃度、溫度及流速等；金屬力學(xué)則是指腐蝕金屬受到的殘余及工作等應(yīng)力。總之，在這些因素的作用下，宏微觀腐蝕電池應(yīng)用而生。因此，只有掌握各腐蝕因素規(guī)律及其破壞性，才能制定行之有效的防腐措施。在實(shí)際生產(chǎn)中，可從三方面分析設(shè)備構(gòu)件腐蝕失效的影響因素。

2.1 介質(zhì)

介質(zhì)主要是引起金屬腐蝕的外在因素。在分析腐蝕失效因素時(shí)，首先要明確造成腐蝕的外在環(huán)境介質(zhì)，主要包含介質(zhì)成分、濃度、壓力、導(dǎo)電性、溫度及流速等物理、化學(xué)及電化學(xué)等相關(guān)闡述。介質(zhì)與材料不同，其腐蝕規(guī)律也大不相同。

2.2 材質(zhì)

腐蝕過(guò)程，具體而言就是環(huán)境介質(zhì)與金屬表面或界面出現(xiàn)的化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)。因此，對(duì)于腐蝕過(guò)程而言，金屬材料非常關(guān)鍵。材質(zhì)因素是造成金屬腐蝕的內(nèi)在因素。在分析腐蝕現(xiàn)象時(shí)，材質(zhì)影響因素主要分為四類。第一類，材料冶煉質(zhì)量，主要是材料的化學(xué)成分、非金屬雜物、饒注縮孔、偏析、加熱及冷卻白點(diǎn)等現(xiàn)象與缺陷。第二類，材料加工質(zhì)量，主要是軋制、鍛造與擠壓成型的加熱中形成的沿晶氧化缺陷。由于冷卻速度比較快，造成細(xì)小裂紋引起的各類缺陷，甚至熱影響區(qū)的各類不良因素。第三類，熱處理不規(guī)范。在熱處理加熱操作中，由于溫度過(guò)高或過(guò)燒產(chǎn)生晶粒大、脫碳及增碳等；在冷卻及淬火中引起開(kāi)裂、回火脆性、微觀組織不合理等造成的缺陷。第四類，材質(zhì)表面狀態(tài)，其表面粗糙度會(huì)影響金屬腐蝕形貌與速度。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要盡可能避免出現(xiàn)不合理的應(yīng)力集中與積液等現(xiàn)象。在確定設(shè)備材料時(shí)，要充分考慮材質(zhì)與環(huán)境的相容性。

由上可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕失效影響因素較多，且比較復(fù)雜。在分析其時(shí)效過(guò)程時(shí)，要綜合考慮各影響因素，才能準(zhǔn)確判定失效成因。就化工設(shè)備而言，介質(zhì)因素是其腐蝕速率的主要影響因素。通過(guò)分析其腐蝕行為，掌握介質(zhì)因素改變，其腐蝕速率也會(huì)改變，這對(duì)準(zhǔn)確判斷設(shè)備腐蝕傾向非常重要。

3 分析化工企業(yè)對(duì)設(shè)備腐蝕監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

石化企業(yè)在長(zhǎng)期實(shí)踐中積累了大量與生產(chǎn)設(shè)備及管線相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行情況、檢測(cè)信息及維修狀況等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為分析腐蝕失效、更換設(shè)備及制定防腐措施，提供了數(shù)據(jù)支持。在腐蝕問(wèn)題解決過(guò)程中，如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理并有效運(yùn)用非常關(guān)鍵。隨著現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平的日益提高，化工企業(yè)實(shí)施在線監(jiān)測(cè)腐蝕的意義與作用日益凸顯。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)在線腐蝕監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，搜集腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分析腐蝕速率及報(bào)警等，管理設(shè)備腐蝕的研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果等?；て髽I(yè)可以系統(tǒng)化管理生產(chǎn)裝置腐蝕數(shù)據(jù)，確保裝置可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的安全性。

3.1 概述腐蝕監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

該監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)包含監(jiān)測(cè)與管理兩大功能。腐蝕監(jiān)測(cè)，最早是腐蝕實(shí)驗(yàn)與無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等技術(shù)的融合體，功能是通過(guò)腐蝕實(shí)驗(yàn)與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)設(shè)備腐蝕情況進(jìn)行定期在線或離線檢測(cè)，從而獲得腐蝕速率及離子濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷更新，體現(xiàn)了腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。比如，高溫電阻與電感探針等新技術(shù)的應(yīng)用，一定程度上擴(kuò)大了腐蝕監(jiān)測(cè)范圍，提高了監(jiān)測(cè)精度。隨著現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)與程序的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，腐蝕管理系統(tǒng)不斷發(fā)展。目前，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包含瀏覽器與客戶端兩種服務(wù)器系統(tǒng)，增強(qiáng)了軟件開(kāi)發(fā)功能，提高了數(shù)據(jù)處理與分析能力，便于快速查找與管理數(shù)據(jù)。

3.2 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思路

（1）在對(duì)設(shè)備工藝流程圖及腐蝕機(jī)理研究基礎(chǔ)上，參照工藝流程圖，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，判斷設(shè)備與管道存在的潛在損傷機(jī)理與失效位置，從而選用合適的腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與方法。

（2）全面設(shè)置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確保其對(duì)數(shù)據(jù)能夠在線監(jiān)測(cè)搜集與離線檢測(cè)輸入。此外，還能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理。

（3）通過(guò)編程軟件，編制腐蝕監(jiān)測(cè)管理程序，并確保其具備腐蝕速率、剩余壁厚及腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果等監(jiān)測(cè)管理模塊。在此基礎(chǔ)上，得到腐蝕速率與時(shí)間、剩余壁厚與時(shí)間相關(guān)關(guān)系曲線圖。如果腐蝕速率、剩余壁厚及相關(guān)參數(shù)不在程序范圍內(nèi)，該監(jiān)測(cè)程序自動(dòng)報(bào)警，以此防范發(fā)生腐蝕失效現(xiàn)象。

3.3 設(shè)計(jì)腐蝕監(jiān)測(cè)方案

在設(shè)計(jì)腐蝕監(jiān)測(cè)方案時(shí)，其主要包含設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與選擇監(jiān)測(cè)防范。必須要在工藝流程圖與腐蝕機(jī)理研究前提下，掌握生產(chǎn)工藝狀況及設(shè)備腐蝕機(jī)理，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案，才能確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)與方法具有的代表性與經(jīng)濟(jì)性。

換言之，首先要確保單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有一定的代表與區(qū)域性，監(jiān)測(cè)過(guò)程具有以偏概全的效果。其次，監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體布置要具備系統(tǒng)性，也就是在生產(chǎn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中將監(jiān)測(cè)落實(shí)到位，才能實(shí)現(xiàn)全面而有效的腐蝕監(jiān)測(cè)。

此外，必須要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，確保測(cè)量精度與安全可靠性。

通常，將工況條件比較差的位置設(shè)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要是該位置容易發(fā)生腐蝕且速度快。具體的，可參考以下原則選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)：（1）結(jié)合設(shè)備運(yùn)行狀況，將事故多發(fā)的設(shè)備與管道作為腐蝕重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)；（2）從介質(zhì)角度出發(fā)，將介質(zhì)相變點(diǎn)、積液與濃縮點(diǎn)及高溫高壓易腐蝕點(diǎn)作為優(yōu)先監(jiān)測(cè)點(diǎn)；（3）從設(shè)備結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，管道易沖蝕點(diǎn)、應(yīng)用過(guò)程中變形與應(yīng)力集中位置、設(shè)備進(jìn)出口位置等是首選監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.4 選取監(jiān)測(cè)方法

實(shí)際生產(chǎn)中，需要綜合考慮介質(zhì)條件、腐蝕類型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)特性，以此選取合適的檢測(cè)方法，滿足精度需求，確保監(jiān)測(cè)方法的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，降低生產(chǎn)成本。此外，如果設(shè)備腐蝕比較嚴(yán)重，可以采用多種監(jiān)測(cè)法相互補(bǔ)充。常用監(jiān)測(cè)方法一般有兩種：掛片實(shí)驗(yàn)法和探針監(jiān)測(cè)法。

3.4 .1 掛片實(shí)驗(yàn)法

該監(jiān)測(cè)法屬于比較傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，在設(shè)備關(guān)鍵位置設(shè)置旁路腐蝕實(shí)驗(yàn)室，掌握其腐蝕狀況。對(duì)一段時(shí)間內(nèi)掛片失重情況進(jìn)行測(cè)量，準(zhǔn)確判斷此處設(shè)備腐蝕速度，并在此基礎(chǔ)上觀察腐蝕形貌，獲得材料腐蝕類型等數(shù)據(jù)。

在任何環(huán)境中都可應(yīng)用該監(jiān)測(cè)法，其不但可以全面監(jiān)測(cè)腐蝕速度，也對(duì)局部腐蝕有一定的分析功能。該監(jiān)測(cè)法時(shí)效性特點(diǎn)較顯著，即隨時(shí)可以進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。測(cè)試精度較高，但是監(jiān)測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要專門人員搜集并分析測(cè)量數(shù)據(jù)，不具備智能化數(shù)據(jù)分析測(cè)量功能。

3.4 .2 探針監(jiān)測(cè)法

該監(jiān)測(cè)法是現(xiàn)代化工企業(yè)普遍采用的一種監(jiān)測(cè)法，其監(jiān)測(cè)周期較短，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)。一般在金屬均勻腐蝕速度的測(cè)量中常用該方法，但是其局部腐蝕監(jiān)測(cè)難度較大。

現(xiàn)階段，探頭式在線測(cè)量?jī)x應(yīng)用較廣。它主要包含探頭、測(cè)量?jī)x表、連接配件及數(shù)據(jù)搜集器等。既有便攜式的單孔腐蝕測(cè)量?jī)x，也有以中心為主控制的腐蝕測(cè)量?jī)x。各類型測(cè)量?jī)x表由于測(cè)量機(jī)理不同，又可分為電阻、線性極化電阻、電偶及高靈敏等不同形式的探頭?，F(xiàn)階段，市場(chǎng)上插入式探頭腐蝕測(cè)量?jī)x，可以搜集獨(dú)立或多種探頭數(shù)據(jù)。

4 腐蝕監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)對(duì)化工設(shè)備的作用

腐蝕監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)可以有效評(píng)估設(shè)備的腐蝕狀況，及時(shí)了解化工設(shè)備管道的腐蝕程度。一旦腐蝕對(duì)管道或設(shè)備有損壞，監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，從而防止事故發(fā)生。同時(shí)，監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)可以科學(xué)管理和分析一些數(shù)據(jù)，從而獲得腐蝕速率與生產(chǎn)參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)化工設(shè)備腐蝕問(wèn)題的科學(xué)化管理。

5 結(jié)論

在石化企業(yè)生產(chǎn)中，化工設(shè)備腐蝕所造成的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡不可小覷。針對(duì)化工設(shè)備腐蝕機(jī)理，企業(yè)要加強(qiáng)研究并深入分析其影響因素、腐蝕速率及機(jī)理變化規(guī)律等，從而全面掌握化工設(shè)備腐蝕狀況，并在此基礎(chǔ)上及時(shí)制定科學(xué)合理的防腐措施，選擇有效的腐蝕監(jiān)測(cè)法，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)備腐蝕并進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，將腐蝕失效防患于未然，盡可能降低設(shè)備腐蝕造成的各類損失，為化工設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供安全保障，為石化企業(yè)帶來(lái)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

[1]黃永昌，張建旗.現(xiàn)代材料腐蝕與防護(hù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

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Study on Corrosion Mechanism of Chemical Equipment and Development of Corrosion Monitoring and Management System

LI Xiao
(Nanjing Institute of chemical engineering, Nanjing 210048)

It is very important to develop a reasonable corrosion monitoring and management system on the basis of the thorough research on the corrosion mechanism of chemical equipment.

chemical equipment, corrosion mechanism, monitoring and management system