石油金屬結(jié)構(gòu)的防腐蝕設計與工藝

馬勝吉，段太波

（中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610213）

石油金屬結(jié)構(gòu)的防腐蝕設計與工藝

馬勝吉，段太波

（中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司，四川 成都 610213）

在油氣勘探開發(fā)中需要用到大量的金屬結(jié)構(gòu)件，這些金屬結(jié)構(gòu)件因需接觸各種不同的介質(zhì)或受設計制造工藝的影響，不可避免的會受到腐蝕。通過了解金屬腐蝕的原因，掌握必要的防腐知識，在金屬結(jié)構(gòu)件的設計制造中，通過合理選擇材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和選擇適當?shù)闹圃旃に嚨仁侄芜M行必要的防腐蝕設計，可以大大延長金屬結(jié)構(gòu)件的使用壽命，降低使用風險，提高經(jīng)濟效益。

結(jié)構(gòu)件；腐蝕；設計

1 腐蝕的定義、分類及危害

腐蝕是指材料在環(huán)境的作用下，引起的破壞或變質(zhì)的現(xiàn)象，它包括化學腐蝕和電化學腐蝕。在生產(chǎn)生活中，經(jīng)常因為材料腐蝕造成設施設備的過早損壞或報廢，造成損失。據(jù)統(tǒng)計，腐蝕造成年經(jīng)濟損失約占各國國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的2%～4%。在石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，由于對金屬結(jié)構(gòu)件的可靠性要求較高，加之金屬結(jié)構(gòu)件工作環(huán)境十分惡劣，材料腐蝕及其帶來的危害就更為嚴重。據(jù)英國1970年統(tǒng)計，每年由于腐蝕帶來的損失有1/3可以運用現(xiàn)代先進的防腐蝕手段加以克服。所以，對油氣生產(chǎn)中經(jīng)常使用的材料的腐蝕原理進行研究，對防腐措施、制造工藝進行優(yōu)化是非常必要的。

根據(jù)金屬腐蝕的形態(tài)，可以將金屬結(jié)構(gòu)件的腐蝕分為兩大類：均勻腐蝕和局部腐蝕，均勻腐蝕又可分為成膜腐蝕和無膜腐蝕，而局部腐蝕則可分為孔蝕、縫隙腐蝕、脫層腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、選擇性腐蝕、空泡腐蝕、摩振腐蝕、腐蝕磨損、氫脆、氫鼓泡、氫蝕等。由于金屬的腐蝕一般都是相互聯(lián)系相互影響的，金屬結(jié)構(gòu)件的日常腐蝕一般都是多種形態(tài)的綜合作用，但是以局部腐蝕為主要形態(tài)。從危害性來說，局部腐蝕也要比全面腐蝕大得多。國外某公司對該公司10年來化工設備破壞事件的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明全面腐蝕僅占8%，其余92%都屬于局部腐蝕的范疇。所以在金屬結(jié)構(gòu)件的設計制造中，應該特別重視預防金屬材料的局部腐蝕。

2 金屬結(jié)構(gòu)件的防腐蝕設計

2.1 材料選擇

由于作業(yè)環(huán)境的影響，金屬結(jié)構(gòu)件不但存在自然環(huán)境下產(chǎn)生的腐蝕，還會因為接觸酸、堿、鹽、鹵素、有機介質(zhì)等環(huán)境而產(chǎn)生腐蝕，以及不同金屬材料的直接接觸產(chǎn)生的電偶腐蝕。所以，在材料的選擇上，必要結(jié)合結(jié)構(gòu)件的用途、工作溫度、接觸介質(zhì)、經(jīng)濟性等多方面因素考慮。但是，能夠滿足任何條件的防腐蝕金屬材料是不存在的，所以就必須有所取舍、有所側(cè)重。為了防止不同金屬材料直接接觸產(chǎn)生電偶腐蝕，相互直接接觸的金屬部件盡量選擇同一種材料，或者選擇電極電位接近的金屬材料，也可以在兩種金屬的接觸部位增加絕緣材料，或者減小電極電位更高的金屬面積，盡量使電極電位較低的金屬表面積增大。在滿足相同功能的前提下，應盡量選擇表面積更小的材料，這種材料預防全面腐蝕的效果通常更好。

2.2 結(jié)構(gòu)設計

結(jié)構(gòu)設計不僅決定著構(gòu)件的強度，還會影響到構(gòu)件的防腐蝕能力。結(jié)構(gòu)設計要盡量選擇簡單合理的結(jié)構(gòu)和形狀，要方便維護和檢查。盡量避免產(chǎn)生封閉的區(qū)域，如確需設計封閉區(qū)域，則要保持封閉系統(tǒng)的通風和排液順暢。由于分段構(gòu)成的結(jié)構(gòu)件的連接部位耐蝕性比較差，因此，要盡量選擇整體性構(gòu)件。為了防止液體殘留沉淀造成腐蝕，要盡量避免液體長時間殘留在結(jié)構(gòu)件中，盡量減少工作過程中的液體飛濺。不同部件的連接要選用正確的方式和設計，能夠焊接的盡量采用不鉚接。在鉚接時，兩塊金屬的重疊部分不可避免地會產(chǎn)生縫隙，在結(jié)構(gòu)件使用和儲存過程中，液體和灰塵會進入到縫隙中造成縫隙腐蝕。能連續(xù)焊的盡量不點焊或間斷焊接。同樣點焊和間斷焊接也會留有縫隙，使金屬產(chǎn)生縫隙腐蝕。能對焊的盡量不搭接焊，詳細對比見圖1。

由于灰塵中存在金屬微粒，當大量的灰塵落在金屬表面，可能形成微電池腐蝕。同時，灰塵容易吸收和儲存空氣中的水分，進而溶解灰塵中的電解質(zhì)，形成電解質(zhì)溶液，加速腐蝕過程，所以，應盡量避免裝配后的結(jié)構(gòu)件表面積存灰塵。

2.3 制造工藝

金屬材料的焊接難以避免金屬表面缺陷、晶相組織的變化和殘余應力的產(chǎn)生，這些都將加速材料腐蝕的進程。同時，由于腐蝕介質(zhì)和材料內(nèi)應力的雙重作用下，會使得材料表面產(chǎn)生應力腐蝕，所以焊接部件要盡量減小或消除殘余應力。具體可避免的措施有：（1）焊接后的焊縫要及時打磨和清理，以改善表面狀態(tài)，使表面無焊渣、焊疤、焊瘤等缺陷，提高防腐蝕能力。（2）在保證結(jié)構(gòu)有足夠的強度時，要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，盡量避免焊縫過于集中，焊縫間應保持足夠的距離。（3）使用合理的焊接工藝。（4）采用去應力退火、噴砂、錘擊等手段消除或減小殘余應力。

為了得到優(yōu)良的焊縫性能，選擇與母材成分、性能相適應的焊條是非常重要的。如果焊材與母材性能不匹配，可能造成焊縫出現(xiàn)微裂紋等缺陷，加速焊縫的腐蝕。如果焊條材料的電極電位與母材相差較大，又容易產(chǎn)生電偶腐蝕。

在金屬材料冷作加工時，材料的晶格將會扭曲、畸變，晶粒產(chǎn)生剪切、滑移，晶粒被拉長，從而使表面層金屬的硬度增加，減少表面層金屬變形的塑性，也就是冷作硬化的現(xiàn)象。金屬材料冷作硬化通常會產(chǎn)生殘余應力，加速材料的腐蝕。一般熱加工引起的殘余應力較小，但因加熱不均勻性、不適當?shù)睦鋮s操作工藝和所受溫升條件的約束等，也可能產(chǎn)生危險的殘余應力，此外加熱引起的碳鋼脫碳、不銹鋼的敏化溫度等影響也是不可忽視的因素。

2.4 表面處理

金屬結(jié)構(gòu)件的表面質(zhì)量對其耐蝕性的影響是很大的，因此需要采取必要的措施對金屬材料表面進行處理，常用的工藝是隨材質(zhì)和工作環(huán)境以及制造條件而選擇的，常見的有打磨、酸洗、鈍化、拋光、鍍鋅、氧化和涂裝等。但在實際工作中，主要還是以噴漆涂裝為主，噴漆涂裝是金屬結(jié)構(gòu)主要的防腐蝕工藝，也是也是獲得產(chǎn)品良好外觀的重要手段。

金屬結(jié)構(gòu)件在噴漆涂裝前，必須徹底去除涂裝表面的銹蝕、灰塵、氧化層、油脂等各種雜質(zhì)，以提高涂層與基體之間的結(jié)合力。涂料的選擇上，按其功能有底漆、中涂和面漆。由于漆膜的附著力和耐蝕性主要依靠底漆層，所以選用的底漆應具有以下特性：有良好的附著力，所形成的漆膜應具有極好的耐沖擊強度、硬度、彈性等機械性能，具備極好的耐腐蝕性、耐水性和抗化學藥品的腐蝕性，具有良好的配套性和施工性。

圖1

3 結(jié)語

金屬材料的腐蝕無處不在，有效的預防能夠極大地延緩腐蝕的進程。在金屬結(jié)構(gòu)件設計階段增加必要的防腐措施，不但能夠提高經(jīng)濟效益，還能避免很多安全事故的發(fā)生。在石油天然氣勘探開發(fā)過程中，由于金屬材料腐蝕造成的設備異常損壞、生產(chǎn)延誤甚至安全事故時有發(fā)生。但在目前的金屬結(jié)構(gòu)件設計中，往往只會重視結(jié)構(gòu)的功能、強度和美觀，而忽略防腐蝕的設計，使防腐蝕設計成為了金屬結(jié)構(gòu)件設計中的薄弱環(huán)節(jié)。為了能夠盡量減少金屬材料腐蝕給生產(chǎn)生活帶來不利的影響，加強金屬結(jié)構(gòu)件防腐蝕設計的研究和應用是非常必要的。在金屬結(jié)構(gòu)件的設計中，充分考慮腐蝕的預防具有極大經(jīng)濟價值。

[1]楊啟明，呂瑞典.工業(yè)設備腐蝕與防護[M] .北京：石油工業(yè)出版社，2001.9.

[2]趙中敏.防腐蝕設計技術(shù)[J] .全面腐蝕控制，2007,21（5）:35～37.

[3]王春英，張瑞，張衛(wèi)宏.工程機械的防腐蝕設計與工藝[J] .建筑機械化，2009,(9):41～44.

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