壓力容器的腐蝕預(yù)防措施*

張 靜，羅永智，陳體科，侯 曦，高正成

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

通常將金屬在特定介質(zhì)的作用下產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，自身遭到損耗與破壞或者原有的性質(zhì)改變的過(guò)程稱為腐蝕。壓力容器[1]被介質(zhì)腐蝕是一種比較常見的現(xiàn)象，其使用壽命被極大地縮短，造成資源和資金的浪費(fèi)。在腐蝕嚴(yán)重的情況下，壓力容器的強(qiáng)度性能下降很快，會(huì)導(dǎo)致其不能正常工作，甚至引發(fā)破壞性事故，嚴(yán)重危及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和環(huán)境安全。因此，對(duì)壓力容器的腐蝕[2-4]進(jìn)行討論學(xué)習(xí)，掌握一些防腐措施是很有必要的，可以幫助技術(shù)人員對(duì)腐蝕有更全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)今后的設(shè)計(jì)工作是有益的。

1 全面腐蝕

全面腐蝕是指在壓力容器的全部表面或大部分表面發(fā)生程度均勻的腐蝕，一般情況下，腐蝕速率是固定的，可以通過(guò)測(cè)量零件壁厚計(jì)算得出，是腐蝕中最容易防控、最安全的一種腐蝕形態(tài)。

防腐措施：①按介質(zhì)的腐蝕性選擇合適耐蝕材料，并根據(jù)腐蝕速率和預(yù)期使用壽命考慮腐蝕余量；②金屬表面進(jìn)行處理或表面涂層，保證設(shè)備的強(qiáng)度要求和使用壽命，如：提高金屬表面質(zhì)量，表面粗糙度越小，抗腐蝕能力越好；金屬表面進(jìn)行鍍鋅、發(fā)藍(lán)處理；金屬表面噴涂防腐漆等；③其他條件不變的條件下，金屬材料的晶粒越細(xì)，其抗腐蝕能力越強(qiáng)；反之則越差；④在設(shè)計(jì)中采用多種金屬材料組合的方式，充分降低耐腐蝕材料的成本，使設(shè)備既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理，如：采用復(fù)合鋼板、襯里、堆焊等結(jié)構(gòu)；⑤將介質(zhì)的流動(dòng)速度控制的越慢，對(duì)壓力容器的腐蝕程度越??；反之，流速越快，壓力容器受腐蝕的程度也越大。

2 局部腐蝕

局部腐蝕是指壓力容器的某一部分金屬遭到嚴(yán)重腐蝕破壞，而其他部分受到的腐蝕程度比較輕。局部腐蝕的發(fā)生具有不確定性，不易被檢驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)，是腐蝕中不易防控、危險(xiǎn)程度較高的一種腐蝕形態(tài)。壓力容器的預(yù)期設(shè)計(jì)壽命不能僅僅根據(jù)腐蝕速率的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定，還需要采取一定的防腐措施。工程設(shè)計(jì)中，常見的幾種局部腐蝕如下。

2.1 點(diǎn) 蝕

點(diǎn)蝕是典型的局部腐蝕，壓力容器大部分的表面沒(méi)受到腐蝕或只是被輕微腐蝕,只有在個(gè)別地方出現(xiàn)了若干個(gè)細(xì)小深孔(孔直徑一般不大于孔的深度)，可能會(huì)導(dǎo)致材料穿孔，危害程度大。此種情況下，壓力容器的預(yù)期設(shè)計(jì)壽命不能根據(jù)腐蝕速率的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定。

防腐措施：①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免死區(qū)，防止發(fā)生積液；②制造過(guò)程中盡可能減少表面缺陷，如：凹坑、咬邊、未熔合、裂紋、劃痕等；③控制介質(zhì)中的Cl離子含量；④采用抗點(diǎn)蝕能力強(qiáng)的含Cr、Mo和N元素的不銹鋼材料；⑤進(jìn)行酸洗鈍化處理，不銹鋼材料表面形成鈍化膜；⑥控制非金屬夾雜物含量，特別是硫化物,如FeS、MnS；⑦表面精整處理，如：拋光、研磨等。

2.2 縫隙腐蝕

壓力容器的某些結(jié)構(gòu)上存在縫隙，腐蝕介質(zhì)在縫隙中聚集而不能被遷移，進(jìn)而引發(fā)縫隙內(nèi)金屬被嚴(yán)重腐蝕的現(xiàn)象，稱為縫隙腐蝕?？p隙的寬度在一定范圍(0.025～0.1 mm)內(nèi)才能引起縫隙腐蝕，因?yàn)閷挾忍〗橘|(zhì)不能進(jìn)入，不會(huì)造成縫內(nèi)腐蝕；寬度太大則介質(zhì)不會(huì)聚集，縫隙內(nèi)、外腐蝕程度基本相同。常見的幾種縫隙腐蝕如圖1所示。

圖1 常見的幾種縫隙腐蝕

防腐措施：①改進(jìn)設(shè)計(jì)，改善運(yùn)行條件，避免死角區(qū)域介質(zhì)沉聚，如：換熱管與管板組裝時(shí)增加貼脹，來(lái)消除或者減小換熱管與管孔的間隙；采用全截面焊透結(jié)構(gòu)等；②控制介質(zhì)中的Cl離子含量，濃度越高，發(fā)生縫隙腐蝕的幾率越大；③合理選擇含有Cr、Mo、Ni、N元素的耐蝕材料。

2.3 晶間腐蝕

晶間腐蝕的機(jī)理是“貧鉻理論”，即不銹鋼材料的晶粒在晶界區(qū)發(fā)生腐蝕，由于晶界區(qū)腐蝕速度較快，導(dǎo)致晶粒之間的結(jié)合力下降或喪失的局部破壞現(xiàn)象。晶間腐蝕僅發(fā)生在奧氏體和鐵素體不銹鋼上，表現(xiàn)形式為金屬破碎、強(qiáng)度喪失，敲擊時(shí)都不會(huì)發(fā)生金屬聲音，是一種危害極大的腐蝕形式。

防腐措施：①選用超低碳不銹鋼材料，因?yàn)楹剂吭礁撸牧系木чg腐蝕的傾向越嚴(yán)重；②減少Ni含量可以抑制晶界碳化物沉淀從而減緩晶間貧鉻趨向；③提高Cr含量可以使晶間貧鉻區(qū)平衡量提高，有利于減弱晶間腐蝕傾向；④降低σ相含量，因?yàn)棣蚁嘣诰Ы鐓^(qū)域析出會(huì)促進(jìn)晶間腐蝕，而且會(huì)降低材料的力學(xué)性能；⑤由于不銹鋼熱處理溫度高，應(yīng)加快冷卻速度，經(jīng)歷的敏化溫度區(qū)的時(shí)間越短，越不易形成貧鉻區(qū)；⑥對(duì)于一些特定的介質(zhì)，應(yīng)慎重使用不銹鋼材料，如：鹽酸、氯化物、醋酸、氟化物、尿素、甲酸，硫酸等。

2.4 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是金屬材料、特定腐蝕性介質(zhì)、應(yīng)力三者共同作用而發(fā)生的一種破壞形式，發(fā)生時(shí)金屬材料沒(méi)有宏觀體積上的塑性變形，不易被發(fā)現(xiàn)，具有突發(fā)性，這種腐蝕往往引起壓力容器災(zāi)難性事故的發(fā)生。

防腐措施：①設(shè)計(jì)時(shí)避免結(jié)構(gòu)突變，采取措施盡可能降低工作載荷、熱應(yīng)力等對(duì)設(shè)備的影響程度；②通過(guò)熱處理消除或降低焊接殘余應(yīng)力、冷變形應(yīng)力；③避免加工、組焊過(guò)程中造成的缺陷，如：劃痕、氣孔、咬邊、未熔合等；④使用緩腐蝕劑，改變介質(zhì)的腐蝕性；⑤控制材料的化學(xué)成分，降低材料硬度，選用耐應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料。

2.5 氫腐蝕

氫腐蝕是指高溫高壓條件下，氫侵入鋼的內(nèi)部不斷聚集，并與鋼中的滲碳體或不穩(wěn)定碳化物析出的碳元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(Fe3C + 2H2= 3Fe + CH4；C + 2H2=CH4)生成甲烷，導(dǎo)致材料內(nèi)部壓力升高，致使鋼材破裂的現(xiàn)象。常見的抗氫腐蝕的材料有： 1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、2.25Cr-1Mo-V、3Cr-1Mo等具有不同化學(xué)成分的類似鋼。

防腐措施：①根據(jù)Nelson曲線合理選材，氫腐蝕的程度是隨溫度和氫分壓的增加而增加的。但是Nelson曲線只是選材的基礎(chǔ)，還需要制定合適的制造工藝來(lái)保證，主要有：材料技術(shù)要求、焊接要求，無(wú)損檢測(cè)要求、制造過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)控制，合適的熱處理工藝等；②采用堆焊層或復(fù)合板，可以有效阻止或降低氫的滲透率；③加強(qiáng)管理和檢測(cè)，嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，避免過(guò)大的溫度或壓力波動(dòng)，開停車符合操作規(guī)程。

3 腐蝕的檢驗(yàn)

為了保證壓力容器使用過(guò)程中的安全，TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[5]中要求對(duì)壓力容器進(jìn)行定期檢驗(yàn)。壓力容器的全面腐蝕和局部腐蝕在大多數(shù)情況下都可以通過(guò)直觀檢查的方法發(fā)現(xiàn)，但對(duì)晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和氫腐蝕采用直觀檢查是很難發(fā)現(xiàn)缺陷的，材料的晶間腐蝕嚴(yán)重時(shí)，采用錘擊檢查可能會(huì)有所發(fā)現(xiàn)。在日常的檢測(cè)中，由專業(yè)的特種設(shè)備檢驗(yàn)人員根據(jù)具體的腐蝕缺陷，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定專門的、有效的、經(jīng)濟(jì)合理的檢驗(yàn)方案，一般采用超聲波檢驗(yàn)、表面磁粉或滲透檢測(cè)、金相組織檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析和硬度測(cè)定等檢驗(yàn)手段對(duì)壓力容器的腐蝕情況進(jìn)行檢查，然后出具檢測(cè)報(bào)告，對(duì)安全狀況等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

在工程中，壓力容器的腐蝕是一直存在的，危害極大，不容忽視。腐蝕的機(jī)理比較復(fù)雜，影響因素也較多，有金屬材料本身的內(nèi)在因素，也有受環(huán)境影響的外在因素。所以，技術(shù)人員在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從材料

的化學(xué)成分、材料的力學(xué)性能、容器的設(shè)計(jì)溫度和壓力、介質(zhì)組分、零部件結(jié)構(gòu)、制造工藝等多方面綜合考慮，制定出最合理、經(jīng)濟(jì)、有效的防腐措施，保證壓力容器能夠安全可靠工作且具有較長(zhǎng)的使用壽命。

[1] GB/T150.1～150.4-2011，壓力容器[S].北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2011.

[2] 葉文邦，黃正林，曹文輝.壓力容器設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)[M].第三版.昆明：云南科技出版社，2015.

[3] 戚國(guó)勝，段 瑞.壓力容器工程師設(shè)計(jì)指南[M].北京：中國(guó)石化出版社，2013.

[4] 李世玉.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社，2005.

[5] TSG 21-2016，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2016.