涉氨化工機械設備腐蝕危害分析與對策研究

朱江安

摘要：通過深入分析涉氨化工機械設備、設施、裝置腐蝕的機理，分析辨識氨腐蝕危害的各種成因，進一步探究涉氨化工設備防腐蝕危害治理方法和途徑，從而提出經(jīng)濟可行的防范對策和措施，為管理者、設計人員提供涉氨設備防腐蝕危害新的綜合系統(tǒng)思路和方法，以確保相關化工機械設備安全穩(wěn)定運行。

Abstract： Through in-depth analysis of the mechanism of corrosion of ammonia-related chemical machinery equipment， facilities and installations， this paper analyzes and identifies the various causes of ammonia corrosion hazards， and further explores the methods and ways to prevent corrosion hazards of ammonia-related chemical equipment， so as to propose economically feasible countermeasures to provide managers and designers with new integrated system ideas and methods for anti-corrosion of ammonia-related equipment to ensure the safe and stable operation of related chemical machinery equipment.

關鍵詞：氨;化工機械;腐蝕;危害

Key words： ammonia;chemical machinery;corrosion;hazard

中圖分類號：TQ440.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）27-0010-03

0 ?引言

近年來由于涉氨企業(yè)事故多發(fā)、影響巨大，致使其安全備受社會廣泛關注，除了氨本身的毒性、火災爆炸危險性外，腐蝕危害也是威脅涉氨化工機械設備安全的重要因素之一。關于涉氨化工設備防腐蝕研究，國內(nèi)外專家學者均作較多研究，如張瑩光等對液氨儲罐局部腐蝕應力場，采用有限元分析方法對其安全性能作出評定;王瓊興等對氨汽提塔內(nèi)部塔盤腐蝕原因進行分析，并提出防治措施等。這些學者研究成果均對涉氨某一設備元件或點位進行了防腐蝕探究，但是沒有從涉氨化工設備、設施總體進行系統(tǒng)全面腐蝕危害分析，為此本研究綜合各學者對化工機械設備防腐蝕研究的基礎上，重點對涉氨設備腐蝕危害成因進行分析，并提出相應的對策措施和方法。

1 ?涉氨化工機械設備

涉氨化工機械設備因其生產(chǎn)工藝和裝置不同，所涉及的相關設備而不同，下面主要介紹幾種典型涉氨工藝設備，如合成氨裝置主要涉氨化工機械設備有轉(zhuǎn)化爐、氨合成塔、氨冷器、氨儲罐、氨氮壓縮機、氨管道和氨泵等;煉油廠污水汽提裝置主要涉氨化工機械設備有氨精餾塔、氨水循環(huán)系統(tǒng)、結晶器、氨壓縮機等;氨制冷裝置主要涉氨化工機械設備有儲氨罐、循環(huán)泵、氨蒸發(fā)器、氨油分離器、氨壓縮機、冷凝器和氨管道等;電廠脫硝裝置主要涉氨化工機械設備有液氨儲罐或氨水罐、卸氨氨壓縮機、氨蒸發(fā)器、氨氣緩沖罐、氨稀釋罐、氨泵和氨管道等。此外還有氨法脫硫裝置、空分裝置氨冷系統(tǒng)、氨氮廢水處理設備、氨回收設備、氨水制備裝置等化工機械設備。

2 ?腐蝕的分類

以腐蝕材料種類分，材料腐蝕包括金屬材料腐蝕和非金屬材料腐蝕兩種，其中，金屬材料腐蝕是指金屬材料受到周圍介質(zhì)的化學或電化學作用，引發(fā)設備材料生銹、脫落或變形等現(xiàn)象;非金屬材料腐蝕是指橡膠、塑料、陶瓷、混泥土、涂料等高分子材料或木材等由于周圍環(huán)境因素或化學物質(zhì)作用引起的變質(zhì)破壞?；C械設備材質(zhì)絕大多數(shù)都是金屬及其合金，金屬腐蝕是化工機械設備防腐蝕研究的重點。金屬材料常見腐蝕形態(tài)有均勻腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕破裂、小孔腐蝕、氫脆、腐蝕疲勞、晶間腐蝕、電偶腐蝕和磨損腐蝕等。

化工機械設備因長期運送各類酸堿等腐蝕性物質(zhì)，會受到生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境、工作條件和本身材質(zhì)等方面的影響，從而發(fā)生設備腐蝕現(xiàn)象?；C械設備腐蝕種類因分類標準的不同而不同，根據(jù)腐蝕的表面積大小可分為局部腐蝕和全面腐蝕。根據(jù)腐蝕的性質(zhì)或機理可分為物理腐蝕、化學腐蝕、電化學腐蝕和生物腐蝕，其中，物理腐蝕是由材料溶解、滲透等物理作用引起的材料損壞，化學腐蝕是由金屬和非電解質(zhì)（工業(yè)氣體等）直接發(fā)生作用造成的設備或元件的損壞，電化學腐蝕是由金屬和電解質(zhì)進行電化學反應做成的設備損壞，生物腐蝕是由細菌等代謝引起的酸破壞。

3 ?氨腐蝕機理分析

理想狀態(tài)下，純凈液態(tài)氨僅有微弱的電離作用，因僅有少量電解質(zhì)產(chǎn)生，發(fā)生電化學反應弱，對金屬及其合金造成腐蝕損壞很小。

2NH3（液氨）=NH4++NH2-

液氨能溶解活潑金屬，通常認為在溶液中生成電子氨合物和金屬離子，如與金屬Na反應，NH3的氧化性較弱。

Na+xNH3（液氨）=Na++1/2H2+NH2-

那么，液氨或氨水中只有混入微量的CO2或O2時，才對金屬（Cu等）表現(xiàn)出明顯的腐蝕現(xiàn)象。

2NH3+CO2=NH4CO2NH2

NH4CO2NH2=NH3++CO2NH2-

O2+2NH4+2Cu=2Cu2++2OH-+2NH3

2Cu+8NH3·H2O+O2=2[Cu（NH3）4]（OH）2+6H2O

由此可以看出，液氨腐蝕金屬的過程中，氨分子是沒有變化的，那么對金屬產(chǎn)生腐蝕作用的是氧分子，氨分子僅僅是作為介質(zhì)使得腐蝕作用產(chǎn)生，致使產(chǎn)生NH4CO2 NH2對金屬表面腐蝕性較強。同時也看出，金屬設備表面外露受到氨腐蝕的作用將會大幅度提高。此外，氨與其他化學物質(zhì)如硫化氫、氯氣、二氧化硫和鹽類等共同作用下發(fā)生化學反應，將會加速對金屬設備的腐蝕速度。

4 ?涉氨化工機械設備腐蝕原因分析

4.1 設備制造材料本身原因：生產(chǎn)中化工機械設備材質(zhì)多選用金屬及合金材料，如選用碳鋼、不銹鋼、銅等材質(zhì)，鑒于金屬本身性能特征，其防腐能力較弱，尤其碳鋼中包含磷、硅、錳等生銹元素，極易被腐蝕。此外，設備材質(zhì)也是影響腐蝕的重要因素，因受材料質(zhì)量影響，一定程度上加速了化工機械設備的腐蝕。

4.2 設備設計或選型不當原因：涉氨化工機械設備如果設計考慮不周或選型不當，設備本質(zhì)安全化水平低下，從而導致設備設施及裝置出現(xiàn)缺陷。如果設備內(nèi)外壁表面、選材和防護等設計不當或不合理問題，將會產(chǎn)生重大腐蝕現(xiàn)象或加速設備腐蝕。

4.3 外界雜質(zhì)的混入原因：涉氨化工機械設備除了接觸氨以外，還會與金屬離子、水、氧氣、二氧化碳、硫酸鹽和微生物等混雜，這些雜質(zhì)里的離子間發(fā)生化學反應或電化學反應，常常會對設備內(nèi)外壁造成腐蝕。

4.4 介質(zhì)流速變化原因：設備內(nèi)氨汽水混合物等的流速將會與金屬構件間發(fā)生相對運動，過快的流速或者流速來回波動較大，除了產(chǎn)生共振的物理磨損外，還會加速設備內(nèi)表面的金屬腐蝕。

4.5 內(nèi)外部溫度原因：氨對溫度的影響非常敏感，尤其液氨，如果溫度稍有變化其氣化能力立刻加強幾十倍。設備內(nèi)外溫度升高會使得相關電解質(zhì)溶液電阻值下降，加快其擴散能力，特殊狀態(tài)下還會加速物質(zhì)的分解速度，增強設備設施的腐蝕性，一定程度上加快了腐蝕。

4.6 工作環(huán)境或條件因素原因：化工機械設備運行環(huán)境或條件的好壞也會影響其腐蝕程度，如果設備內(nèi)外部表面長期接受外來硫化物、鹽霧、鹵化物、粉塵、氫氧化物或蒸汽等的作用，在潮濕環(huán)境下，這些物質(zhì)形成的酸性物質(zhì)與設備金屬及其化合物間容易產(chǎn)生化學反應，對化工機械設備產(chǎn)生腐蝕。

5 ?涉氨化工機械設備腐蝕危害分析

5.1 腐蝕增加了設備維護成本。由于涉氨化工設備腐蝕，不但企業(yè)診斷發(fā)現(xiàn)腐蝕點或部位的難度增加，特別是應力腐蝕危害，在發(fā)生事故前往往沒有任何表象，而且長期或者連續(xù)的腐蝕維修和防護給企業(yè)帶了大量的人力和物力的投入，從而產(chǎn)生高額的維護成本。除此之外，由于氨的揮發(fā)性，對其他及設備如排風機、梯子、欄桿等也構成了腐蝕危害。

5.2 腐蝕加速了設備老化速度。合成氨設備、電廠脫硝、煉油廠污水氣提和涉氨制冷裝置等成本投入非常大，正是由于腐蝕的作用使得設備加速老化，壽命大大降低。據(jù)美國第7次腐蝕損失調(diào)查統(tǒng)計，其每年直接腐蝕損失是2760億美元，約占其GDP的3.1%，可見腐蝕所造成的經(jīng)濟損失異常巨大。

5.3 腐蝕引發(fā)了安全生產(chǎn)事故。氨的毒性非常強，具有閃電死之稱，如果設備因腐蝕造成氨泄漏，沒有采取積極的救護，會給人的生命安全帶來極大的威脅。此外，因為氨氣泄漏造成的火災爆炸事故也時有發(fā)生。有人對石化行業(yè)發(fā)生的事故進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其爆炸事故的70%是設備腐蝕原因造成的。

5.4 腐蝕導致了環(huán)境污染事故。涉氨設備由于腐蝕原因造成安全生產(chǎn)事故的同時也會引發(fā)環(huán)境污染事故，液氨融入水會變成氨水，氨水是一種強堿性物質(zhì)，會對土壤、水等環(huán)境因素造成污染。

6 ?涉氨化工機械設備防腐蝕對策措施

6.1 涉氨化工機械設備防腐蝕技術措施

6.1.1 對設備機構和工藝防腐設計。依據(jù)涉氨化工裝置工作條件和運行環(huán)境需要，充分慮環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)、溫度及運行壓力，對機械設備設施進行防腐設計，可以從根本上起到防腐蝕的作用。在結構上盡量做到簡單、平滑，減少腐蝕性物質(zhì)堆積;在工藝上盡可能避免設計形狀復雜，盡量使用同一種材料。

6.1.2 選用合適的機械材料或設備。機械材料的良好選擇是從根本上解決了涉氨化工設備防腐蝕的技術問題，材料防腐性可以進行優(yōu)化組合，根據(jù)不同的生產(chǎn)環(huán)境條件選擇不同材料的設備設施和裝置來達到防腐的目的。如為防止應力腐蝕作用，在統(tǒng)籌考慮設備操作壓力、殘余應力、安全性和經(jīng)濟性情況下，盡可能選用強度較低的鋼材;氨制冷設備最好更換為由20g或20R制備的設備;選用耐蝕非金屬材料設備等。

6.1.3 采用合理的結構和焊接工藝。在選擇涉氨化工機械設備時，要選擇結構焊縫少、分散、焊縫對稱、焊縫順序合理的設備，避免因制造焊接時咬邊、錯邊等缺陷不足，確保介質(zhì)接觸表面的平滑。同時做好結構件的后續(xù)處理工作，如焊后熱處理、制造完成后退火熱處理等。

6.1.4 設備金屬表面涂層防腐。在化工機械設備金屬表面涂防腐層，如涂涂料、噴漆（二甲酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇縮丁醛等）、外包保護層、金屬覆蓋層等方式，把金屬和具有腐蝕性氣體、液體等分離以進行防腐，是一種高效低價的防腐措施。采用強度高的玻璃鋼、碳鋼、鑄鐵等作結構材料，用耐蝕性能優(yōu)異材料作襯里層的襯里技術及復合管道襯里技術是現(xiàn)代通用的涉氨化工設備防腐的重要方法和手段。此外，采用電鍍方法對化工設備金屬防腐的作用效果也較為明顯。

6.1.5 采用電化學法防腐保護。為解決涉氨化工機械設備防腐，可以采用電化學原理，通過外加電源產(chǎn)生電流，使金屬及合金腐蝕的電位發(fā)生改變，在陽極發(fā)生氧化反應，陰極發(fā)生還原反應的方式，從而進一步降低腐蝕速率。如陽極保護可用在氨水及銨鹽溶液中的碳化塔、氨水儲槽等結構物。

6.1.6 隨物料在設備中注入緩蝕劑。與防腐劑隔絕作用，緩蝕劑可對金屬物質(zhì)較好地抑制低濃度金屬腐蝕。近年來緩蝕劑在防腐蝕方面的應用較為迅速，這種通過適當濃度和形式隨物料注入設備中，在金屬表面形成保護膜從而顯著減緩金屬腐蝕速度的做法，更加具有使用經(jīng)濟、方便、高效的優(yōu)點。

6.2 涉氨化工機械設備防腐蝕管理措施

①將防腐蝕工作納入日常設備管理中，制定化工設備設施防腐蝕管理制度，主要包括防腐蝕工作責任制、設備定期檢查制度、防腐蝕維修保養(yǎng)制度等，并做到嚴格執(zhí)行和落實。②制定安全操作規(guī)程，建立防腐監(jiān)督管理體系，在充裝、排料及檢修等作業(yè)中，要采取相應的保護措施，嚴禁帶進任何空氣或破壞保護層，尤其要做好受限空間安全作業(yè)，防止人員傷亡事故發(fā)生。③加強對操作人員防腐蝕培訓，提高安全意識，在設備操作前要嚴格按照規(guī)程進行，嚴禁設備超壓、超溫、超負荷運行。④將腐蝕性能不高的設備列入重點設備臺賬，建立涉氨設備防腐蝕使用和維護檔案，對其化工機械設備進行動態(tài)管理。當發(fā)現(xiàn)設備老化時，及時進行報廢處理。

7 ?結論

涉氨化工機械設備的防腐蝕工作是一項長期工程，在各級人員高度重視的基礎上，要充分認識涉氨化工機械設備發(fā)生腐蝕的成因和機理，結合生產(chǎn)裝置工藝特點，采取綜合應對策措施，提高防腐蝕能力，減少腐蝕對設備的損害。

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