液氮液氧運(yùn)輸金屬材料管道防腐蝕措施研究

軒志勇

（北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028）

金屬材料在日常的生活和現(xiàn)代發(fā)展生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。給人們的生活帶來了很大的便利，但是由于時(shí)間的作用，在金屬與空氣、水、或化學(xué)等接觸的時(shí)候，也產(chǎn)生了金屬腐蝕，長期下來，不僅縮短了金屬材料的使用壽命，也有部分會(huì)對人們的身體造成極大影響，因此在使用這些金屬材料的同時(shí)，研究出如何抵御金屬腐蝕的措施，是延長金屬材料使用壽命和降低材料成本的重要一項(xiàng)工作項(xiàng)目。

1 液氮液氧金屬管道腐蝕原因

腐蝕是引起金屬管道破壞的主要原因，導(dǎo)致金屬材料發(fā)生腐蝕的環(huán)境主要有兩大類，第一類，是自然環(huán)境，比如大氣和海洋等較弱的腐蝕環(huán)境。另一種是工業(yè)環(huán)境，比如強(qiáng)腐蝕性工業(yè)氣體等。在日常自然環(huán)境的腐蝕中，腐蝕類型屬于電化學(xué)腐蝕，效果較弱，腐蝕的速度較慢，但是潛在危害較大。而液氮液氧運(yùn)輸金屬材料是在工業(yè)氣體的環(huán)境下被腐蝕的，屬于化學(xué)腐蝕，效果較為強(qiáng)烈，破壞性較強(qiáng)。金屬管道的腐蝕與其所處的環(huán)境和輸送介質(zhì)有關(guān)。比如，四川天然氣輸氣管網(wǎng)南干線，輸送的天然氣含液氮和液氧，含水量在70%以上，該集數(shù)管線主要是以垢下腐蝕為主，液氮以及液氧是引起管道腐蝕的主要因素。另外，還與金屬材料管道本身的材質(zhì)和制造因素在運(yùn)行中的使用應(yīng)力有關(guān)，為了有效提高金屬材料管道的使用壽命，提出液氮液氧運(yùn)輸金屬材料管道防腐蝕性措施，對其進(jìn)行優(yōu)化處理，有效提升液氮液氧運(yùn)輸金屬材料管道的腐蝕性[1]。

2 改善管道金屬材料

金屬在發(fā)生腐蝕后，會(huì)降低金屬材料的強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能，不但會(huì)破壞金屬構(gòu)件的幾何形狀，還會(huì)增加零件之間的磨損。為了解決該現(xiàn)象，提出改善金屬本質(zhì)的方案，解決液氮液氧運(yùn)輸金屬材料管道腐蝕的問題。

首先，根據(jù)用途的不同選擇不同的材料組成耐蝕合金，提高液氮液氧運(yùn)輸金屬材料管道的腐蝕性，有效減緩金屬腐蝕的速度。在金屬材料管道的表面覆蓋各種保護(hù)層，將被保護(hù)層和腐蝕性介質(zhì)隔開，該方法是防治金屬材料管道腐蝕的有效方法。在工業(yè)中通常會(huì)使用保護(hù)層改善金屬本質(zhì)，一種是非金屬保護(hù)層，另一種是金屬保護(hù)層，這兩類屬于化學(xué)方法和物理方法[2]。

其次，金屬的磷化處理是先將鋼鐵制品去油后，放入特定組成的磷酸鹽溶液中浸泡，即在金屬的表面形成一層不溶于水的磷酸鹽薄膜。增加金屬材料管道的吸附能力，提高其腐蝕性。金屬保護(hù)層是先將金屬鍍在被保護(hù)的另一種金屬制品表面上的一個(gè)保護(hù)層。隨著科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，新的技術(shù)不斷更新，其中電化學(xué)保護(hù)是一種重點(diǎn)了解的一種方法[3]。是以研究金屬腐蝕為目的，價(jià)格廉價(jià)，可以有效減緩金屬的腐蝕性。由于金屬電化學(xué)腐蝕的機(jī)理比較復(fù)雜，形式多種多樣，影響因素千差萬別，所以在實(shí)踐的過程中，通常會(huì)將其作為重要的防護(hù)措施。該方法是根據(jù)金屬材料的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，也是需要重點(diǎn)了解的方法。

3 金屬材料的防腐蝕措施

3.1 犧牲陽極法

在被保護(hù)金屬與犧牲陽極所形成的大地電池中，被保護(hù)金屬體為陰極，犧牲陽極的電位往往負(fù)于被保護(hù)金屬體的電位，在保護(hù)電池中是陽極，被腐蝕消耗，故此稱之為“犧牲”陽極。此方法在船舶、管道防腐蝕應(yīng)用中應(yīng)用極多。

3.2 改變金屬管道材料

在金屬材料管道的材料中可添加合金元素，提高其耐蝕性，把被腐蝕金屬和金屬涂層影響介質(zhì)隔絕，可以防止或減緩金屬的腐蝕。如，在鋼中加入鎳制成不銹鋼可以增強(qiáng)防腐蝕的能力。

3.3 非金屬保護(hù)涂層和金屬保護(hù)涂層

比如塑料噴漆噴在金屬材料表面，使外觀光滑，外表看起來更美觀，隔絕了金屬與空氣結(jié)合，形成非金屬保護(hù)層。而另外的金屬保護(hù)層，是用另外的一層防腐蝕金屬涂層在金屬管道表面，達(dá)到防腐蝕作用。

3.4 應(yīng)用電化學(xué)方法

改善環(huán)境對減少液氮液氧運(yùn)輸金屬材料管道的腐蝕性有重要的作用，比如，降低腐蝕介質(zhì)的濃度，除去介質(zhì)中的氧，控制環(huán)境溫度減少金屬材料管道的腐蝕性。第一種，在實(shí)踐的過程中，加強(qiáng)對金屬材料的溫度控制，或者控制金屬材料腐蝕介質(zhì)中的氧，都可以很好的改善金屬材料的使用環(huán)境，一定程度上預(yù)防金屬材料腐蝕的發(fā)生。第二種，在金屬材料表面熱噴涂玻璃涂層，該方法具有獨(dú)特的抗腐蝕效果，可以有效增強(qiáng)其耐磨性和穩(wěn)定性。在進(jìn)行涂層處理前，要根據(jù)金屬材料的性能匹配合理的熱膨脹系數(shù)，達(dá)到熱噴涂效果[4]。

目前，管道剩余壽命評估技術(shù)比較落后，同管線檢測技術(shù)一樣，要對管道剩余壽命進(jìn)行評估，有針對性的采取修復(fù)技術(shù)達(dá)到最小的投資，取得最好的效果。國內(nèi)的管道修復(fù)技術(shù)比較落后，和其他所有涂層管道不一樣，所以在焊接的過程中，需要考慮無機(jī)非金屬涂層管道內(nèi)補(bǔ)口的問題。

對于有機(jī)涂層，除了要在焊縫附近涂層中一些低熔點(diǎn)組分揮發(fā)燒損外，還要防止裸露在外面的金屬介質(zhì)遭到腐蝕。為了解決金屬材料管道腐蝕嚴(yán)重的問題，采用電化學(xué)法，增強(qiáng)管道使用壽命，達(dá)到預(yù)期的水平。電化學(xué)腐蝕是在金屬材料處于介質(zhì)中時(shí)，根據(jù)金屬材料表面化學(xué)性質(zhì)不均勻的特點(diǎn)，構(gòu)成腐蝕電池，陽極會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，金屬釋放電子溶解，成為離子態(tài)進(jìn)入電解質(zhì)溶解。陰極會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，氧化劑獲得電子被還原，在電解質(zhì)溶液的傳遞中形成電子流。具體實(shí)踐過程如下所示；

圖1 實(shí)踐過程

圖1 是電化學(xué)實(shí)踐過程，電化學(xué)一般常用的材料有鋅或者合金，常用于保護(hù)海輪外殼。采用犧牲陽極法進(jìn)行陰極保護(hù)，保護(hù)效果的好壞與犧牲陽極材料本身的性能有直接關(guān)系。材料具備條件；第一，電位負(fù)，極化小。第二，溶解性好。第三，價(jià)格廉價(jià)。該方法是將保護(hù)金屬與電位負(fù)極相互連接，構(gòu)成電流回路，改變金屬發(fā)生陰極極化，這樣被保護(hù)金屬在與電源相連接時(shí)，可以直接將被保護(hù)金屬的電極降到最低，形成腐蝕電池，使金屬發(fā)生陰極極化。以上為電化學(xué)腐蝕過程，伴隨微生物的參與，對防止金屬材料腐蝕發(fā)生具有重要的作用，該方法對提高液氮液氧運(yùn)輸金屬材料管道腐蝕性具有重要的作用[5]。

4 結(jié)語

隨著科技發(fā)展，防腐蝕措施也在不斷進(jìn)步完善，通過對液氮液氧金屬材料腐蝕機(jī)理的分析和探討，提出改善金屬本質(zhì)和金屬環(huán)境等措施，在選材的應(yīng)用上和環(huán)境的選擇上，都要以預(yù)防金屬材料腐蝕的發(fā)生為主，把金屬防腐蝕措施應(yīng)用到更多的生活和現(xiàn)代化建設(shè)中，降低材料應(yīng)用成本、降低能源浪費(fèi)，減少事故發(fā)生的概率[6,7]。