化工壓力容器腐蝕影響因素探討

□鐘 雄 王銀龍 范國偉

化工生產(chǎn)始終是一項(xiàng)危險(xiǎn)系數(shù)比較高的工作。尤其發(fā)展到現(xiàn)代化工之后，由于經(jīng)濟(jì)成本控制以及相關(guān)材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)出等多種因素的共同作用下，使得相關(guān)的生產(chǎn)流程變得更加危險(xiǎn)。在這基本條件下，壓力容器的使用頻率變得更高、運(yùn)行時(shí)間更久、原材料成分更復(fù)雜，對(duì)設(shè)備本身的腐蝕性與損耗性也大大增加。因此，對(duì)化工壓力容器的腐蝕性問題的討論也顯得非常必要，深入探尋壓力容器發(fā)生腐蝕的原因，并采取高效措施加以預(yù)防和控制已成為現(xiàn)代化工生產(chǎn)的重要工作內(nèi)容。

一、化工壓力容器受腐蝕的類型

化工生產(chǎn)設(shè)備本身由于作業(yè)環(huán)境以及生產(chǎn)環(huán)境的原因，發(fā)生腐蝕以及耗損問題是常態(tài)。但是對(duì)于化工壓力容器而言，發(fā)生腐蝕情況的可能性更高，而且腐蝕情況也會(huì)更加嚴(yán)重。究其原因，還是由于工作環(huán)境的極特殊性引起的。高壓環(huán)境對(duì)于設(shè)備本身的物理耗損很高，特別是高壓環(huán)境對(duì)設(shè)備表面的擠壓容易產(chǎn)生輕度形變及裂痕，為后續(xù)的腐蝕創(chuàng)造了極佳的物理環(huán)境。除此之外，化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕也是造成這一現(xiàn)象的主要原因。

(一)物理腐蝕。物理腐蝕問題，最常見也是最直接的一種表現(xiàn)方式就是容器在使用過程中的自然耗損，也就是人們常說的“使用壽命”這一概念。主要是因?yàn)樵O(shè)備在運(yùn)行的過程中，尤其機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)、物料流動(dòng)以及操作碰撞等原因，都會(huì)對(duì)容器的表面產(chǎn)生一定的損耗。這種損耗的形式一般不容易直觀地觀察到，但是經(jīng)過長(zhǎng)期使用后，設(shè)備表面的氧化膜形成就能夠直觀地表現(xiàn)出設(shè)備的使用年限，也從側(cè)面體現(xiàn)了設(shè)備的耗損程度。物理耗損的最大影響因素就是物理沖刷作用，在化工生產(chǎn)過程中，對(duì)容器內(nèi)部和外表面的沖刷是非常常規(guī)的清洗操作，其主要目的是為了減少生產(chǎn)原材料污染，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。但是物理沖洗過程中對(duì)容器的影響很大，尤其在使用如燒堿、洗滌劑等化學(xué)實(shí)際參與到情況下，就會(huì)使物理耗損與化學(xué)耗損同時(shí)進(jìn)行，對(duì)設(shè)備的影響更大。很多化工生產(chǎn)設(shè)備在運(yùn)行一定年限后，都會(huì)出現(xiàn)外壁變薄，甚至出現(xiàn)漏洞情況，都是物理腐蝕的具體表現(xiàn)。

除此之外，對(duì)壓力容器而言，還需要考慮到壓力作用的影響。盡管壓力容器本身在制造環(huán)節(jié)會(huì)充分考慮到壓力問題，但是在容器內(nèi)部處于壓力作用下時(shí)，容器壁勢(shì)必發(fā)生輕度形變，在剛性材料的性能影響下，這種形變往往是不可逆的，就會(huì)在材料表面形成裂痕等。這種裂痕的形成最開始并不會(huì)引起關(guān)注，但是在長(zhǎng)期使用后，清洗劑、原材料以及添加劑都會(huì)在裂痕處殘留，極大加劇了容器的腐蝕程度。

(二)化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕問題是化工生產(chǎn)設(shè)備無法避免的?；どa(chǎn)本身就涉及到大量化學(xué)試劑的應(yīng)用，這些化學(xué)試劑，無論其存在形態(tài)如何，都會(huì)帶有一定的腐蝕性。在加入容器進(jìn)行反應(yīng)的過程中，自然會(huì)與容器壁接觸產(chǎn)生腐蝕。甚至很多化學(xué)試劑都具備與容器壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的能力，生成氧化膜在內(nèi)的一系列產(chǎn)物。盡管這樣的反應(yīng)強(qiáng)度會(huì)比較低，但是長(zhǎng)期處于這樣的環(huán)境下，對(duì)容器壁的腐蝕會(huì)不斷積累量變，最終形成質(zhì)變。

(三)電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕的具體原理是比較復(fù)雜的，而且會(huì)由于原材料組成的變化以及反應(yīng)條件的影響造成不同程度的腐蝕效果。從電化學(xué)研究的角度分析，電化學(xué)腐蝕的基本條件是要有金屬參與，并且要在溶液環(huán)境下進(jìn)行。在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的過程中，離子的定向運(yùn)動(dòng)會(huì)在容器內(nèi)產(chǎn)生電流。這使得更多的機(jī)械磨損與化學(xué)磨損成為電化學(xué)腐蝕的附帶產(chǎn)物。也正因如此，電化學(xué)腐蝕的后果也是最為嚴(yán)重的。通常情況下，容器內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，會(huì)立即在容器內(nèi)留下比較明顯的痕跡，極大消耗設(shè)備的使用壽命，而且這樣的后果還會(huì)伴隨其他的“后遺癥”，是在化工生產(chǎn)過程中最需要防范與維護(hù)的工作內(nèi)容。

二、化工壓力容器受腐蝕的因素

化工壓力容器受腐蝕的因素有很多，關(guān)于這一問題的學(xué)科研究主要可以歸納為三方面：壓力容器本身的材料性能、壓力容器所處的生產(chǎn)環(huán)境與生產(chǎn)條件以及壓力容器在施工過程中存在的操作問題等。總結(jié)來說，造成壓力容器的因素非常復(fù)雜，而且具有相當(dāng)大的生產(chǎn)因素?zé)o法避免。因此，要想深入探尋影響壓力容器附屬的原因，還需要從整個(gè)化工采購、化工生產(chǎn)以及化工設(shè)備維護(hù)的全周期進(jìn)行全面探索。

(一)化工壓力容器本身的材料特性。通常情況下，壓力容器的選擇會(huì)以鋼材作為容器的主要材料。因?yàn)橹挥袖摬牡拇罅渴褂?，才能有效?shí)現(xiàn)對(duì)容器內(nèi)部壓力的控制，尤其是在高壓反應(yīng)條件下，對(duì)容器鋼材含量的要求將會(huì)更高。而且設(shè)備的制造，不單單需要鋼材，還需要其他非金屬物質(zhì)的參與，以保證設(shè)備外型的可恢復(fù)性。鋼材在壓力作用下，會(huì)發(fā)生形變，為了彌補(bǔ)鋼性材料對(duì)抗形變能力上的不足，就不得不引入非金屬材料以維持容器的外形。然而，這種為了維持容器外形而選擇的解決方案，卻給電化學(xué)腐蝕提供了極大便利。鋼材在整體材料中的分散存在，使得在電化學(xué)原理上形成了多電極參與的局面，能夠極大程度上加速電流的形成，使得電化學(xué)腐蝕作用的效率和強(qiáng)度都有所提升。

(二)化工壓力容器所處的環(huán)境條件。在實(shí)際化工生產(chǎn)過程中，材料表面會(huì)與原材料之間發(fā)生自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，促使材料表面形成特殊的化學(xué)結(jié)晶。這種化學(xué)結(jié)晶對(duì)材料保護(hù)而言并沒有好處，甚至于會(huì)在特殊反應(yīng)中充當(dāng)催化劑，進(jìn)一步加劇容器的腐蝕效率。但是，如果在容器的內(nèi)表面提前通過化學(xué)或者物理方式形成一層結(jié)構(gòu)致密的氧化膜，將會(huì)大大提高容器內(nèi)部對(duì)抗化學(xué)腐蝕的能力，甚至在容器內(nèi)部出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，能夠有效阻斷金屬材料與反應(yīng)體系之間的聯(lián)系，極大提升容器的使用壽命。

(三)化工壓力容器使用的操作環(huán)境。在化工壓力容器的操作因素引起的腐蝕問題上，其影響因素是多樣的，其發(fā)生原理也是非常復(fù)雜的。除了上文所提的內(nèi)容之外，比如反應(yīng)溫度、反映環(huán)境酸堿度、介質(zhì)流動(dòng)系數(shù)等等，都會(huì)對(duì)容器產(chǎn)生一定影響，造成設(shè)備腐蝕問題，影響容器使用壽命。在壓力容器使用的過程中，通常也伴隨著高溫條件，從化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)原理來說，化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)就是粒子的運(yùn)動(dòng)與碰撞發(fā)生的能量傳遞，打破原有的物質(zhì)組成形成新物質(zhì)。而熱量是物質(zhì)能量的重要來源，也就是說，溫度的提高能夠有效促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生與進(jìn)行，這一點(diǎn)對(duì)容器壁腐蝕反應(yīng)也同樣適用。不僅如此，溫度還會(huì)影響到介質(zhì)流動(dòng)系數(shù)等，也會(huì)進(jìn)一步加劇容器腐蝕。除此之外，如果容器本身由于操作或其他原因，在表面形成了裂痕，那么腐蝕反應(yīng)將會(huì)更加明顯。在高溫高壓的反應(yīng)條件下，這些裂痕都會(huì)成為留住反應(yīng)物質(zhì)與其他物質(zhì)接觸并發(fā)生反應(yīng)的極佳場(chǎng)所，尤其是大分子團(tuán)物質(zhì)的黏性將會(huì)被這些裂痕放大，對(duì)容器的保護(hù)工作極為不利。

三、化工壓力容器腐蝕問題的有效預(yù)防與控制策略

綜上所述，在化工生產(chǎn)中，壓力容器發(fā)生腐蝕的情況是根本無法避免的。因此，為了保證化工產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)安全，應(yīng)該從設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)方面著手，針對(duì)發(fā)生腐蝕問題的重點(diǎn)環(huán)境對(duì)癥下藥。積極引入全新科技手段與科研成果，幫助更好地預(yù)防設(shè)備腐蝕和解決發(fā)生腐蝕后的快速處理。

(一)化工壓力容器的材料選擇。要想有效避免化工壓力容器發(fā)生腐蝕反應(yīng)，就必須從容器的原材料方面著手。建立更高的原材料加工與使用標(biāo)準(zhǔn)，在選擇容器原材時(shí)，應(yīng)該充分考慮到容器的應(yīng)用場(chǎng)景。容器自身的防腐蝕能力是通過原材料實(shí)現(xiàn)的，材料的自身物質(zhì)密度夠高，材料分子之間能夠形成強(qiáng)作用力，就能夠有效避免外界化學(xué)物質(zhì)對(duì)材料的腐蝕作用。將材料分子的能量互聯(lián)與反應(yīng)能量消耗提升到一個(gè)較高的水平，就能從根本上解決發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的問題。但這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用過程中是需要結(jié)合多種因素共同考慮的。材料的要求越高，其投入的成本也將會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)，而且材料本身的強(qiáng)度存在物理上限，不能過度追求，更應(yīng)該選擇最適合自身生產(chǎn)的設(shè)備。

(二)生產(chǎn)用原材料的有效把控。在化工生產(chǎn)過程中，需要使用大量的化工原材料，這些原材料本身具備一定的腐蝕性，并且一些特殊的原材料與金屬之間存在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的先天優(yōu)勢(shì)。這對(duì)于容器防腐蝕工作而言是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。在沒有可替代原材料的情況下，對(duì)原材料使用順序和提前處理的操作就顯得非常重要。應(yīng)盡量避免具有金屬反應(yīng)活性的原料與容器壁的直接接觸。

(三)新型防腐材料的合理運(yùn)用。在化工壓力容器的制造中，可以引入一些防腐蝕技術(shù)手段。這種加工手段在船舶制造業(yè)上早有應(yīng)用。除了金屬電極防腐蝕手段之外，新型的防腐蝕涂層的應(yīng)用也是能夠有效避免容器腐蝕的重要方法。在容器內(nèi)壁面加工過程中，加入防腐蝕噴層，能夠賦予容器內(nèi)部更多的物理性能提升。不僅如此，目前技術(shù)比較成熟的防腐蝕涂層都能在高溫高壓環(huán)境下保持自身性質(zhì)不發(fā)生改變，能夠極大延長(zhǎng)容器的使用壽命。如果防腐蝕涂層的造價(jià)難以接受，還可以選擇在容器內(nèi)表面通過電鍍生產(chǎn)氧化薄膜，以幫助實(shí)現(xiàn)化學(xué)試劑與容器壁之間的有效隔離。

(四)改良與升級(jí)容器制造工藝。在過去很長(zhǎng)時(shí)間，研究壓力容器防腐蝕問題時(shí)，人們都極大忽略了容器制備過程中的焊接技術(shù)與加工工藝影響。事實(shí)上，良好的加工工藝能夠幫助容器組成更緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其是針對(duì)折角處的工藝設(shè)計(jì)，在恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與焊接技術(shù)下，也能夠極大減輕容器內(nèi)壁發(fā)生腐蝕的程度，配合上電鍍氧化薄膜結(jié)構(gòu)，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)容器的防腐蝕處理。

四、結(jié)語

化工生產(chǎn)壓力容器的腐蝕問題是一項(xiàng)比較復(fù)雜性的討論內(nèi)容。關(guān)于容器腐蝕原因的討論，設(shè)計(jì)到材料學(xué)與化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的多方面內(nèi)容，特別是在談?wù)撽P(guān)于實(shí)際化工工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，這一問題就會(huì)變得更加復(fù)雜。但總體來說，關(guān)于容器腐蝕問題的主要考慮因素，還是要集中在容器材料應(yīng)用、制備工藝、防腐蝕工藝以及日常應(yīng)用與保養(yǎng)上。一方面，要從相關(guān)設(shè)備的采購上仔細(xì)斟酌，尋找最適應(yīng)自身生產(chǎn)工藝的容器；另一方面，也要加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的日常維護(hù)與保養(yǎng)，充分考慮日常損耗與維護(hù)問題。盡可能避免因自身工作疏忽而造成的設(shè)備影響，保證生產(chǎn)安全。