張晶瑩
(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530001)
淺析化工機(jī)械設(shè)備腐蝕原因及防腐措施
張晶瑩
(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530001)
化工機(jī)械設(shè)備腐蝕是自發(fā)的普遍現(xiàn)象,機(jī)械設(shè)備被腐蝕后,在外形、色澤及機(jī)械性能方面都將發(fā)生變化,造成設(shè)備被破壞以及資源和能源的嚴(yán)重浪費(fèi),企業(yè)受到巨大損失。本文主要對(duì)化工機(jī)械設(shè)備在使用過(guò)程中發(fā)生腐蝕的原因進(jìn)行了分析,并提出了一些防腐蝕的方法和措施。
化工機(jī)械;腐蝕原因;防腐措施
腐蝕是指化工機(jī)械設(shè)備在接觸介質(zhì) (大氣、水或含有酸、堿、鹽的溶液等)的化學(xué)或電化學(xué)的作用下發(fā)生形狀以及尺寸等變化而引起的破壞,這種破壞在化工生產(chǎn)中是普遍存在的。腐蝕使得正常的生產(chǎn)無(wú)法進(jìn)行,使設(shè)備的使用壽命大大縮短,更為嚴(yán)重的是腐蝕還會(huì)使設(shè)備及管道的跑、冒、滴、漏機(jī)會(huì)增加,甚至還會(huì)引起設(shè)備爆炸,帶來(lái)慘重的人員傷亡、環(huán)境污染、能源方面的浪費(fèi),給企業(yè)造成較大的虧損。因此對(duì)化工機(jī)械設(shè)備腐蝕的原因進(jìn)行分析,同時(shí)采取有效的防護(hù)措施,提高機(jī)械的防腐蝕能力,對(duì)于化工企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。
(1)不同的金屬材料對(duì)于不同的介質(zhì)具有不同的抗腐蝕能力。
(2)金屬的晶粒越粗,腐蝕越快。晶粒越細(xì)腐蝕則越慢,如不銹鋼比鑄鐵的耐腐蝕性能高。
(3)零部件的表面越粗糙,越易腐蝕。表面有氧化膜則耐腐蝕。
(4)設(shè)備結(jié)構(gòu)的形狀突變處,如開(kāi)口、縫隙或死角等位置,金屬腐蝕較快。
(1)化工生產(chǎn)中存在著許多具有一定腐蝕性的介質(zhì),如酸、堿、鹽、水、氧等,這是產(chǎn)生腐蝕的主要原因之一。
(2)介質(zhì)的種類(lèi)、化學(xué)成分、濃度、pH 值、雜質(zhì)、水分和含氧量是造成腐蝕的外在原因。
(3)介質(zhì)的溫度越高,壓力越高,腐蝕越快,因?yàn)楦g是一種化學(xué)反應(yīng)。溫度每升高10℃,腐蝕速度增加1~3倍。溫度升高,擴(kuò)散速度增大,同時(shí)電解液電阻下降所以使腐蝕電池的反應(yīng)加快。
(4)介質(zhì)流動(dòng)速度愈快,愈易腐蝕,它會(huì)沖刷保護(hù)膜,產(chǎn)生旋渦、湍流、空泡,引起嚴(yán)重的沖擊磨損和空泡腐蝕。
(5)零部件受外力或殘余應(yīng)力愈大,腐蝕越快。
(6)應(yīng)力及疲勞的影響。設(shè)備應(yīng)力的產(chǎn)生一方面是在加工過(guò)程中形成的,如冷加工的變形應(yīng)力,熱加工的組織應(yīng)力;另一方面在運(yùn)轉(zhuǎn)中對(duì)于承受壓力或旋轉(zhuǎn)的部件也會(huì)使之產(chǎn)生應(yīng)力。這些應(yīng)力的作用結(jié)果引起金屬內(nèi)部的扭曲,從而降低了該部位的電極電位,加劇微電池腐蝕,形成腐蝕破裂。
(1)化學(xué)腐蝕。化工企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常需要采用一些具有腐蝕性的化學(xué)原料,這些化學(xué)物質(zhì)和機(jī)械的金屬表面接觸后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),往往生成一種金屬氧化物,造成金屬表面的損壞。這類(lèi)腐蝕主要以高溫干燥環(huán)境下的金屬與腐蝕性的化學(xué)介質(zhì)直接發(fā)生反應(yīng)的形式發(fā)生。
(2)電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕大多發(fā)生在比較潮濕的環(huán)境之中,其本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)的一種,化工機(jī)械的金屬部件接觸了電解質(zhì)溶液,通過(guò)電極反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。
(3)其他腐蝕。按照腐蝕產(chǎn)生的原因以及外表的情況,還可以將腐蝕具體分為:高溫氧化腐蝕、焊接應(yīng)力腐蝕、剝層腐蝕、點(diǎn)狀腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、疲勞腐蝕、工業(yè)大氣腐蝕等。對(duì)化工行業(yè)來(lái)說(shuō),機(jī)械設(shè)備的腐蝕以電化學(xué)腐蝕、焊接應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕及疲勞腐蝕為主,特別是電化學(xué)腐蝕最為嚴(yán)重,多種腐蝕的結(jié)果最終均導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕。
金屬的電化學(xué)腐蝕是指在離子導(dǎo)電介質(zhì)中,金屬的表面和電解液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),從而造成金屬表面產(chǎn)生的腐蝕。任何一種按電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行的腐蝕反應(yīng)至少包含有一個(gè)陽(yáng)極反應(yīng)和一個(gè)陰極反應(yīng),并與流過(guò)金屬內(nèi)部的電子流和介質(zhì)中的離子流聯(lián)系在一起。在陽(yáng)極,金屬中的離子脫離金屬進(jìn)入到電解質(zhì)中,同時(shí)釋放電子,這是一個(gè)氧化的過(guò)程。與此相反,陰極反應(yīng)是一個(gè)還原的過(guò)程,來(lái)自陽(yáng)極的電子被介質(zhì)中的氧化劑所吸收?;C(jī)械的金屬構(gòu)件主要是碳鋼組成,碳鋼與酸溶液發(fā)生反應(yīng)在陽(yáng)極反應(yīng)的作用下,亞鐵離子被氧化成二價(jià)鐵離子,在這個(gè)過(guò)程中釋放的電子由陽(yáng)極向陰極的方向流動(dòng)和氫離子發(fā)生還原反應(yīng),最終生成氫氣。在化工機(jī)械設(shè)備的金屬部件所發(fā)生的電化學(xué)腐蝕在實(shí)質(zhì)上是金屬內(nèi)部形成的短路原電池,即電子回路短接,電流不對(duì)外做功,電子自耗于腐蝕電池內(nèi)陰極的還原反應(yīng)中,這個(gè)過(guò)程同時(shí)對(duì)陰極產(chǎn)生了腐蝕。
化工企業(yè)大多位于重工業(yè)相對(duì)集中的區(qū)域中,通常空氣受到嚴(yán)重的工業(yè)廢氣污染,,空氣中含有高濃度的 SO2、CO2、H2S、鹵化物、硫化物及鹽等揮發(fā)物和工業(yè)粉塵等腐蝕性介質(zhì),在空氣的相對(duì)濕度達(dá)到一定程度的時(shí)候,空氣中的水分會(huì)和這些腐蝕性氣體結(jié)合形成無(wú)機(jī)酸?;C(jī)械的金屬表面長(zhǎng)時(shí)間處于這種介質(zhì)之中,會(huì)發(fā)生一系列連鎖反應(yīng),導(dǎo)致鋼材嚴(yán)重?fù)p壞。工業(yè)大氣的所有腐蝕性氣體中,以二氧化硫?qū)C(jī)械的腐蝕作用最強(qiáng),二氧化硫和空氣中的降水結(jié)合形成酸雨,除了直接造成腐蝕之外,也能起到一種催化劑的作用。綜上所述,無(wú)論是化學(xué)腐蝕還是電化學(xué)腐蝕在本質(zhì)上都是一個(gè)氧化還原反應(yīng)的過(guò)程。二者的主要不同之處在于,化學(xué)腐蝕只是金屬與周?chē)橘|(zhì)在高溫干燥條件下直接進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng),而電化學(xué)腐蝕的氧化過(guò)程則是發(fā)生在潮濕介質(zhì)中,腐蝕過(guò)程形成了腐蝕微電池。
腐蝕破壞是金屬材料最主要的破壞形式之一,因此,在化工機(jī)械的采購(gòu)以及安裝調(diào)試和一些配套設(shè)施的建設(shè)過(guò)程中要特別注重對(duì)金屬部分的防腐,這對(duì)于保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行以及延長(zhǎng)使用壽命,保證企業(yè)正常的生產(chǎn)都具有十分重要的意義。應(yīng)從以下幾個(gè)方面采取措施。
用來(lái)制造化工機(jī)械設(shè)備的材料大部分是普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼,其特點(diǎn)在于價(jià)格低廉,來(lái)源廣泛,力學(xué)性能好及加工方便等,這類(lèi)鋼如果在普通的工作條件下使用,腐蝕對(duì)其的危害并不大,但是如果是使用在化工行業(yè)這種高濃度腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境下,因?yàn)槠淠透g性能較差,就很容易遭受腐蝕的破壞。因此,耐腐蝕金屬材料的選擇原則為:(1)對(duì)腐蝕環(huán)境應(yīng)盡可能詳細(xì)了解,如介質(zhì)的成分、濃度以及操作溫度和壓力等;液體是靜止?fàn)顟B(tài)還是流動(dòng)狀態(tài);應(yīng)力狀態(tài)(包括殘余應(yīng)力);不同材料的接觸狀態(tài);溫度變化,加熱冷卻的溫度周期變化,有無(wú)急冷急熱引起的熱沖擊和應(yīng)力變化;高溫、低溫、高壓、真空、沖擊載荷、交變應(yīng)力等需要特別注意的環(huán)境條件等;(2)必須考慮設(shè)備的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品的要求;(3)考慮設(shè)計(jì)預(yù)期使用年限的問(wèn)題,即滿(mǎn)足整個(gè)生產(chǎn)裝置要求的壽命,盡量使整個(gè)設(shè)備或管道各部分材料均勻劣化,材料費(fèi)/施工費(fèi)/維修費(fèi)綜合最佳的經(jīng)濟(jì)考慮,從而有效降低設(shè)備的腐蝕程度,延長(zhǎng)設(shè)備使用周期。
如果構(gòu)件的幾何形狀設(shè)計(jì)不合理或者過(guò)于復(fù)雜的話(huà),經(jīng)常會(huì)引起機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、積液等缺陷,進(jìn)而導(dǎo)致氧化腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕等情況,因此應(yīng)該從防腐蝕的角度對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行綜合的考慮,通常情況下,要符合以下要求:
(1)機(jī)械構(gòu)件的形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單,盡量選用同一種金屬材料避免死角。設(shè)備中局部液體殘留或固體物質(zhì)沉降堆積,不僅會(huì)在設(shè)備操作時(shí)局部濃縮或聚集,引起腐蝕,并且會(huì)在設(shè)備停車(chē)時(shí)引起腐蝕。設(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免死角和排液不盡的死區(qū)等。
(2)盡量減少縫隙,許多金屬設(shè)備都容易存有縫隙,液體流通不暢的地方易形成縫隙腐蝕,如碳鋼、鋁、不銹鋼等設(shè)備都有這種現(xiàn)象。縫隙腐蝕產(chǎn)生后又往往引發(fā)孔蝕和應(yīng)力腐蝕,造成極大的破壞。防止殘余水分在機(jī)械設(shè)備上有滯留情況,在設(shè)計(jì)的時(shí)候要盡量避免具有向上的容器狀凹處,如果不能夠盡量避免,應(yīng)該要設(shè)置排水孔,而良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是防止縫隙腐蝕最好的方法。
(3)焊接時(shí)應(yīng)盡量防止出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中,要盡量采取連續(xù)的焊接工藝,間斷的焊接就容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力;要盡量避免出現(xiàn)焊接缺陷,例如咬邊、焊瘤、未焊透等現(xiàn)象,這些都可能會(huì)導(dǎo)致其形成新的腐蝕點(diǎn)。例如咬邊就可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中,其凹陷邊也可能會(huì)形成夾縫,而焊瘤不僅僅會(huì)造成應(yīng)力集中,還會(huì)致使焊瘤與母材之間形成一定的夾縫。以上這兩種焊接缺陷,都會(huì)造成較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。
(4)表面涂層的方法,在設(shè)備表面涂漆是最常見(jiàn)、直觀的一種防腐蝕方法,選擇合適優(yōu)秀的防銹漆,以使腐蝕介質(zhì)與構(gòu)件完全隔離,特別要注意焊縫的涂漆。涂層防護(hù)一般不改變?cè)O(shè)備的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度,僅在外部涂裝防護(hù)層,使設(shè)備與周?chē)橘|(zhì)隔離而免遭腐蝕。目前使用的防腐漆料大多為鄰苯二甲酸樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚乙烯醇縮丁醛+磷酸等油料涂漆。為了能達(dá)到良好的防腐目的,除了對(duì)漆膜的漆刷能力、防銹能力、機(jī)械性質(zhì)、漆膜的老化等有著嚴(yán)格要求外,還得對(duì)涂漆對(duì)象的材質(zhì)、形狀、表面狀態(tài)、施工環(huán)境及使用條件等有充分的了解。
由于化工機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作于高濃度的腐蝕性物質(zhì)中,容易發(fā)生腐蝕,而造成機(jī)械零件強(qiáng)度的下降甚至是損壞,因此,對(duì)設(shè)備及附件的強(qiáng)度要予以特別考慮。化工機(jī)械零件的強(qiáng)度除了要滿(mǎn)足機(jī)械正常運(yùn)作所需要的強(qiáng)度之外,還要將腐蝕的情況考慮進(jìn)去。這就是說(shuō),構(gòu)件除滿(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度和剛度要求外,還須留有腐蝕余量,這個(gè)余量一般為設(shè)備設(shè)計(jì)壽命內(nèi)腐蝕深度的2倍。
化工機(jī)械設(shè)備的腐蝕控制有很多方法,主要分為改善金屬本質(zhì)和對(duì)金屬進(jìn)行表面處理,改善腐蝕環(huán)境及進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)。下面主要介紹電化學(xué)保護(hù)法。電化學(xué)保護(hù)法,主要就是依據(jù)電化學(xué)的相關(guān)原理,進(jìn)而在金屬設(shè)備上采取一定的措施,使之能夠成為腐蝕電池中的陰極,從而防止或者減輕金屬腐蝕的方法,它包括犧牲陽(yáng)極保護(hù)法以及外加電流法。
(1)犧牲陽(yáng)極保護(hù)法是采用電極電勢(shì)比被保護(hù)金屬更低的金屬或是合金作為電池的陽(yáng)極,將其固定在被保護(hù)的金屬表面上,形成了腐蝕電池,而被保護(hù)金屬作為陰極,從而得到保護(hù)。例如在金屬鐵的器件、設(shè)備上聯(lián)結(jié)鋅。鋅作為陽(yáng)極,鋅的溶解代替了原腐蝕系統(tǒng)中鐵的溶解,從而達(dá)到保護(hù)金屬鐵免遭腐蝕的目的。采取犧牲陽(yáng)極保護(hù)法對(duì)化工機(jī)械設(shè)備進(jìn)行保護(hù)是一種較為科學(xué)、合理且有效的方法。犧牲陽(yáng)極一般常用的材料有鋁、鋅及其合金。目前,各國(guó)已廣泛應(yīng)用犧牲陽(yáng)極保護(hù)法對(duì)化工裝置、油罐、地下管道、電廠(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)、鍋爐等進(jìn)行保護(hù),收到很好效果。
(2)外加電流法是指利用外加電源來(lái)保護(hù)金屬。把需要保護(hù)的金屬接在負(fù)極上,成為陰極而免除腐蝕。正極接到一些廢鋼鐵上,廢鋼鐵作為犧牲陽(yáng)極。外加電流使陰極電勢(shì)往負(fù)的方向移動(dòng),在其上進(jìn)行還原反應(yīng)使被保護(hù)金屬免于腐蝕。和上面的方法所不同的是,這里由外電源提供電流?;S(chǎng)的一些酸性溶液貯槽或管道,以及地下水管、輸油管等,常用這種方法防腐。
腐蝕的破壞是化工生產(chǎn)中的一個(gè)很重要的問(wèn)題。機(jī)械設(shè)備的腐蝕不僅影響設(shè)備的正常運(yùn)行和設(shè)備的使用壽命,而且也存在著巨大的安全隱患,造成極大的環(huán)境污染。因此要加強(qiáng)化工行業(yè)機(jī)械設(shè)備的防腐蝕能力,對(duì)提高機(jī)械設(shè)備的使用年限,降低企業(yè)的生產(chǎn)成本等,都具有較大的意義。
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Corrosive Reason of Chemical Engineering Machinery and Anti-Corrosion Method
ZHANGJing-ying
(Guangxi Institute of Industry Technology,Nanning530001, China)
The corrosive reason of chemical machinery in using process was analyzed.Some anti-corrosion methods and measures were put forward.
chemical machinery;corrosive reason;anti-corrosive measure
TQ 050.9
B
1671-9905(2012)03-0048-03
張晶瑩(1958-),女,廣西南寧市人,講師,主要研究方向:機(jī)械制造及金屬材料,聯(lián)系電話(huà):13132915141,通訊地址:廣西南寧市秀靈路37號(hào)廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系
2011-11-19