氯堿生產中自控專業常見腐蝕問題與預防處理

蘇 馳，吳麗娟

（自貢鴻鶴化工股份有限公司，四川 自貢 643000）

在氯堿生產中，腐蝕性介質伴隨著整個生產過程，尤其是自動化專業的設備通常都有著耐蝕性差，抗侯耐干擾能力弱等特點。鴻鶴化工公司曾多次由于腐蝕問題導致自控儀表取樣管線破損，致使工藝介質泄漏從而導致緊急停車。為了更好地服務于生產，保障系統長周期安全穩定運行，必須分析與解決自動化儀表及其附屬設施的腐蝕問題。

1 化學腐蝕

化學腐蝕是指金屬表面與周圍介質直接發生化學反應而引起的腐蝕。

1.1 氯堿生產中常見的化學腐蝕

在氯堿生產中存在最廣泛的化學腐蝕是銹蝕。由于碳素鋼、低合金鋼、鐵基不銹鋼的大量使用，吸氧型的化學腐蝕在生產現場隨處可見。新安裝的自控系統如果防腐不及時，從氧化層脫落到點蝕的發生只需數周的時間。

在氯堿生產中對儀表安全威脅最大的工藝介質是氯氣和氯化氫，其化學性質活潑，在常溫干燥條件下對大多數金屬腐蝕性很輕，但隨含水量的增加，其腐蝕性迅速加劇，尤其當溫度低于120℃時，水的冷凝作用會加速這2種氣體對金屬的腐蝕。以碳鋼對氯氣的防護性能為例，可以清楚地了解含水量與腐蝕率的關系，見表1。

1.2 常見的防護措施

目前，應用較多且較為便捷的防護手段是表面涂裝和材質選擇，自貢鴻鶴公司在自控儀表方面的實際應用中，一是對取源部件的防腐，通常采用煤瀝青或含氟涂料；二是對調節閥等帶有活動部件儀表的防腐，通常采用黃油等固態潤滑劑來實現防腐蝕功能；三是對于一些重要的控制閥和關鍵測控儀表一般可變更其接液元件材質。

表1 氯氣含水量對碳鋼的腐蝕情況

2 應力腐蝕

材料在特定的腐蝕介質中和在靜拉伸應力 （包括外加載荷、熱應力、冷加工、熱加工、焊接等所引起的殘余應力以及裂縫銹蝕產物的楔入應力等）下，所出現的低于強度極限的脆性開裂現象，稱為應力腐蝕開裂。應力腐蝕開裂是先在金屬的腐蝕敏感部位形成微小凹坑，產生細長的裂縫，且裂縫擴展很快，能在短時間內發生嚴重的破壞。常見的應力腐蝕裂紋見圖1。

2.1 應力腐蝕的條件

（1）特定的敏感金屬見表2。氯堿工業自動化常用的奧氏體不銹鋼、純金屬不會產生應力腐蝕。

表2 常用金屬發生應力腐蝕的敏感介質

（2）特定的腐蝕環境（氯離子環境）。

（3）一定的作用力下（工作應力和殘余應力）。

2.2 自控系統中常見的應力腐蝕案例

在公司氯甲烷生產裝置中，自控系統中常見的應力腐蝕開裂主要發生在奧氏體不銹鋼取樣管線的焊接縫口處。這類焊口通常較小，焊接處取樣管壁厚較薄，且因為焊接導致金屬晶相結構改變，極易導致斷裂。

該公司曾多次因此類焊縫斷裂導致環室孔板取壓管根部焊縫出現裂紋，最終因無法處理，導致局部系統緊急停車。焊縫處裂紋以橫裂為主，由外壁產生，向內壁擴展，屬典型的穿晶型應力腐蝕裂紋。

2.3 常用的預防措施

（1）合理選擇金屬材料。針對機件所受應力和接觸的化學介質，選用耐應力腐蝕的金屬材料。選材時，應盡可能選取應力腐蝕門檻值較高的合金，如高鎳不銹鋼。

（2）減少或消除機件中的殘余拉應力。通過合理的選用焊材，必要時，采用退火工藝以消除應力。同時，在安裝過程中增加取樣管固定支架、避免采用強扭、強拉等方式安裝自控設備取樣管線也能從很大程度上消除外應力。

（3）改善外工環境。因為應力腐蝕作用在潮濕環境下特別明顯，采用外涂層隔絕空氣保護焊口相當必要。奧氏體不銹鋼在60℃以上，才會發生應力腐蝕，盡量避免不必要的過熱現象，控制溫度等于控制腐蝕。

（4）采用電化學保護。采用陰極保護法使金屬在化學介質中的電位遠離應力腐蝕敏感電位區域。

（5）采用緩蝕劑。在實驗環境下，緩蝕劑能有效防止腐蝕現象的發生，但該方法在實際中并不適用。

3 腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是在腐蝕介質與循環應力的聯合作用下產生的。由于腐蝕介質而引起的抗腐蝕疲勞性能的降低，稱為腐蝕疲勞。疲勞破壞的應力值低于屈服點，在一定的臨界循環應力值（疲勞極限或稱疲勞壽命）以上時，才會發生疲勞破壞。而腐蝕疲勞卻可能在很低的應力條件下發生破斷，因而，是很危險的。

3.1 腐蝕疲勞的主要影響因素

腐蝕疲勞的最主要影響因素有：（1）電化學作用引起腐蝕疲勞的引發和擴展；（2）溫度因素影響腐蝕疲勞的速度；（3）平均應力高，增大在裂紋尖端的應力強度水平，并增加裂紋增加的寬度，在每次循環期間都將增大腐蝕疲勞的損壞；（4）低的循環應力振幅和應力強度使得設備在失效的過程中有更大的可能承受復雜的環境情況和較大的環境影響。

3.2 腐蝕疲勞損傷的特點及案例

3.2.1 腐蝕疲勞損傷的特點

發生腐蝕疲勞的表面受到腐蝕破壞，斷口有較多的二次裂紋、腐蝕坑和銹斑特征。腐蝕疲勞斷口的疲勞條紋因腐蝕而較模糊。

3.2.2 腐蝕疲勞損傷的案例

自貢鴻鶴化工公司最常發生腐蝕疲勞的區域在CMS二廠，該裝置為引進西班牙技術的5萬t/a甲烷氯化物生產線。其反應器出口釋放閥正常流量40 000 kg/h，閥前壓力為 11.6 MPa，閥后壓力為5 MPa，介質溫度200℃；因服役期較長，該閥內件經多次修復后，導向裝置部分抑振能力失效，長期存在較大的振動，因而，閥內件經常發生腐蝕疲勞損傷，導致閥芯斷裂。

圖2為釋放閥閥桿斷面的腐蝕情況。

圖2顯示閥桿斷面上閥芯迎流側有明顯的腐蝕坑，在腐蝕坑底部可見向后延伸的裂紋，裂紋表面經初步清洗后仍殘留黃綠色的銅鎳合金氯化物。斷口雖然因設備停車前的沖擊造成撞擊變形，但仍可見以腐蝕坑為核心的發散狀裂紋。

圖3為釋放閥閥芯的腐蝕情況。

從圖3中，可看見閥芯導流部分因持續震蕩產生的撞擊印記，這種因流體高速通過產生的震蕩是導致腐蝕疲勞損傷的最主要原因。

3.3 提高腐蝕疲勞抗力的措施

（1）表面感應淬火，提高表面層的強度。

（2）噴丸或表面滾壓，造成表面壓應力，提高表面層的強度。

（3）表面化學熱處理。滲碳、氮化、氰化以及滲Cr、滲碳化鉻，提高腐蝕疲勞抗力。

（4）表面電鍍 Cr、Ni、Cu 等高熔點金屬，在表面呈拉應力狀態，對抗腐蝕疲勞不力，而鍍Zn和鍍Cd，在鍍層中產生殘余壓應力，可提高抗疲勞腐蝕強度。

（5）涂層保護。

4 氣蝕與閃蒸

氣蝕與閃蒸也是一種腐蝕作用，這種腐蝕主要來源于高速流體的沖刷。當高壓液體流經調節閥時，在液體中可能會形成空腔（氣泡），當這些空腔因擠壓而破裂，在出口恢復到液體狀態時，就會發生氣蝕；如果這些空腔一直保持到下游才發生破裂，就會形成閃蒸。

4.1 氣蝕與閃蒸的危害

該公司氯甲烷高壓反應器出口等多個區域曾出現部分調節閥實際使用壽命遠低于根據腐蝕預測推斷的正常使用時間。拆卸檢查結果顯示，其中90%以上調節閥除了正常的化學及電化學腐蝕作用外，其閥內件表面可見明顯的氣蝕痕跡見圖4。

4.2 克服氣蝕和閃蒸的辦法

（1）增大開度。使讓調節閥一開始就處于較大開度上工作，如80%以上。大開度工作節流間隙增大，沖蝕作用被削弱。同時，使得氣蝕與閃蒸都發生在閥芯頭部。隨著閥芯的破壞流量會逐步增大，就可以相應減小開度，這樣逐步破壞逐步關閉，充分利用該閥的價值。該公司在一些區域，采用該方法使得調節閥使用壽命提高2倍以上。

（2）減小壓差防止氣蝕。減小壓差即增大系統的分壓能力，減小發生在調節閥上的壓力損失。不管是在調節閥前增加節流孔板、手動節流閥還是更改調節閥安裝位置在工藝上都能夠輕松實現。這種方法簡單、方便、有效，因此，在該公司應用最為普遍。

（3）改變閥的結構。現有的多級式閥、反氣蝕閥、平衡籠式調節閥、籠式單座閥都能有效減少和防止氣蝕和閃蒸。這種做法在高差壓、大流量系統采用相當普遍。

（4）縮小內通口徑。縮小調節閥的內通口徑，就能在保障流量特性的前提下大幅度增加調節閥的工作開度，增加調節閥的使用壽命。該公司CMS三廠的許多小流量調節閥都采用了類似的設計，取得了不錯的使用效果。

（5）改變流向，轉移破壞。該公司大多數調節閥都采用流開特性，這樣氣蝕和閃蒸都發生在密封面上，使得閥芯根部和閥內件密封面很快遭到破壞。而如果在工藝條件許可的條件下 （主要是安全考慮），只需將其改為流閉特性，流體就會向著閥關閉的方向流動，沖刷腐蝕作用主要發生在節流之后，閥座的密封面以下，很好地保護了閥芯根部和閥內件密封面。此法不僅方便可行，而且經濟效果明顯。這是進一步改善調節閥性能、提高調節閥壽命的一個重要探索方向。

（6）改用特殊材料。在低腐蝕、高磨擦的環境中對閥內件堆焊司太萊合金，在氯化氫、氯氣富集且水分含量較高的區域采用哈氏合金內件，都能取得立竿見影的效果，但在經濟上會帶來不小的壓力。

5 結語

在實際生產中腐蝕的分析和防護都是建立在對腐蝕的預測和性價分析的基礎上的，可以通過模型計算、掛片實驗、日常腐蝕數據統計等一系列方法，主動控制腐蝕發生的周期。從而通過定期更換、檢修等方式主動規避生產事故的發生。也只有這樣才能實現開展防腐蝕工程的真正意義。