化工設(shè)備腐蝕與腐蝕控制的措施

王忠悌(滄州鑫泰管業(yè)有限公司，河北 滄州 061000)

0 引言

化工設(shè)備是化工生產(chǎn)得以開展的必備條件，如果化工設(shè)備出現(xiàn)問題，不僅會(huì)嚴(yán)重影響化工企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，也不利于化工企業(yè)的良性發(fā)展。在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，最常見的化工設(shè)備問題就是化工設(shè)備腐蝕現(xiàn)象，一旦化工設(shè)備受到腐蝕，在縮減化工設(shè)備使用壽命的同時(shí)產(chǎn)生大量的生產(chǎn)安全隱患。因此，這就要求化工企業(yè)在詳細(xì)了解和掌握化工設(shè)備腐蝕現(xiàn)象形成原因的基礎(chǔ)上，科學(xué)探索并落實(shí)針對(duì)性的化工設(shè)備防腐蝕策略，以便為化工生產(chǎn)安全順利開展提供有效保障。

1 化工設(shè)備防腐意義

化工企業(yè)的化工設(shè)備因受到諸多腐蝕性因素的嚴(yán)重破壞，不僅其使用年限大幅縮短，也會(huì)影響到化工企業(yè)的質(zhì)量和產(chǎn)值，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)帶來人身和財(cái)產(chǎn)安全事故。因此，化工企業(yè)應(yīng)對(duì)化工設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕提起高度重視，以切實(shí)可行的針對(duì)性措施加以防范。防腐處理就是化工設(shè)備的有效防腐手段，腐蝕性介質(zhì)因防腐處理而與化工設(shè)備易腐蝕區(qū)域隔離，將腐蝕問題降速，從而延長使用年限。而且通過防腐處理，可減少因設(shè)備腐蝕后引發(fā)的事故，保護(hù)了企業(yè)的人身財(cái)產(chǎn)安全，減少了生態(tài)環(huán)境威脅。同時(shí)，以防腐手段處理化工設(shè)備，化工生產(chǎn)和企業(yè)效率都可得到有效提升，化工企業(yè)也可以獲得長期發(fā)展的續(xù)航動(dòng)力[1]。

2 腐蝕機(jī)理

腐蝕因素有狹義與廣義兩種概念含義：廣義層面是周邊環(huán)境和化工材料的互相影響，最終改變化工材料的本來性狀；狹義層面即金屬在環(huán)境因素的影響下出現(xiàn)物理溶解或化學(xué)反應(yīng)，給金屬表面帶來逐漸損害。

這里只討論狹義層面的化工腐蝕。通常狹義腐蝕有兩種機(jī)理：

(1)電化學(xué)腐蝕機(jī)理。電化學(xué)腐蝕機(jī)理主要腐蝕金屬材料。金屬材料接觸到外部環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)而出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，期間化工設(shè)備上的金屬材料起到陽極作用，腐蝕性介質(zhì)成為陰極，二者相互作用致使化工設(shè)備受到電化學(xué)腐蝕，設(shè)備的整體質(zhì)量和性能會(huì)受到嚴(yán)重影響，出現(xiàn)各種運(yùn)轉(zhuǎn)故障。

(2)大氣腐蝕機(jī)理。金屬材料是制造化工設(shè)備的主要原料，當(dāng)所處環(huán)境含有大量污染物質(zhì)時(shí)，與金屬材料產(chǎn)生反應(yīng)而腐蝕，這就是大氣腐蝕。化工企業(yè)的生產(chǎn)過程會(huì)有酸性物質(zhì)排放到周圍大氣中，它們接觸到金屬材料表面就會(huì)有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，從而腐蝕化工設(shè)備，給設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來各種干擾[2]。

3 化工設(shè)備腐蝕原因

3.1 化工生產(chǎn)內(nèi)在因素的影響

(1)化工設(shè)備自身材料抗腐蝕能力不夠強(qiáng)。金屬材料是制造化工設(shè)備的主要原料，金屬材料的質(zhì)量和性能直接決定化工設(shè)備的最終質(zhì)量。通常金屬材料會(huì)持續(xù)增大晶體密度，也因此帶動(dòng)化工設(shè)備提升抗腐蝕性能。目前的國內(nèi)一些化工設(shè)備所用金屬材料抗腐蝕性能不夠強(qiáng)，一旦周圍環(huán)境提供了腐蝕性因素，化工設(shè)備極易受到嚴(yán)重腐蝕。

(2)溶液性質(zhì)影響。在化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中，酸堿溶液的用量很大，由金屬材料制造的化工設(shè)備接觸到酸堿溶液后會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，致使化工設(shè)備受到嚴(yán)重腐蝕。如果化工設(shè)備接觸到化工生產(chǎn)所用的酸堿溶液，操作人員清理不及時(shí)、不徹底，殘留的酸堿溶液就會(huì)腐蝕設(shè)備表面，致使化工設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過程出現(xiàn)各種故障[3]。

(3)部分化工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。在化工設(shè)備制造過程中，因自身不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也會(huì)在投入使用后容易產(chǎn)生各種腐蝕。舉例來說，化工設(shè)備由各種各樣的零部件共同構(gòu)成，部件之間必定會(huì)有銜接，銜接方式多為焊接，這樣一來會(huì)有大量溝槽和縫隙存在。化工企業(yè)的生產(chǎn)過程會(huì)有大量酸堿溶液投入使用，之后會(huì)有少許酸堿溶液殘留在溝槽和縫隙部位，時(shí)間一長就會(huì)腐蝕到化工設(shè)備，使得設(shè)備老化速度加快，大幅縮短使用年限。目前國內(nèi)在化工設(shè)備制造方面，一些設(shè)備表面不夠光滑，具有很高的粗糙度，極易在腐蝕性介質(zhì)的侵?jǐn)_中造成腐蝕，從而影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

3.2 外在因素影響

(1)化工生產(chǎn)環(huán)境因素。化工企業(yè)的生產(chǎn)過程會(huì)有大量腐蝕性氣體和液體在空氣或容器中流動(dòng)，一旦化工設(shè)備被腐蝕性液體浸染，環(huán)境氣流流動(dòng)會(huì)使液體流動(dòng)增速，會(huì)有越來越多的設(shè)備面積接觸到腐蝕性液體，腐蝕面積也會(huì)越來越大。如果化工設(shè)備的密實(shí)度達(dá)不到化工企業(yè)的生產(chǎn)使用標(biāo)準(zhǔn)，化工設(shè)備就會(huì)受到大面積腐蝕，使設(shè)備腐蝕程度越來越重。

(2)化工生產(chǎn)人員安全意識(shí)不強(qiáng)。化工企業(yè)的生產(chǎn)過程有很高的危險(xiǎn)性，要求相關(guān)人員必須具備高度的安全防范意識(shí)。因此，化工企業(yè)必須加大對(duì)生產(chǎn)人員的安全培訓(xùn)力度，盡量控制生產(chǎn)過程不發(fā)生安全事故。目前，一些化工企業(yè)迫于市場競爭壓力和壓縮生產(chǎn)成本的需要，自動(dòng)化技術(shù)在化工生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在一定程度上提升了化工企業(yè)向自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的水平。但因此使部分生產(chǎn)人員降低了安全意識(shí)，錯(cuò)誤認(rèn)為自動(dòng)化操作不會(huì)發(fā)生事故。再加上有一些多道工序是自動(dòng)化技術(shù)無法應(yīng)對(duì)的，必須由人工操作來完成，因此仍需要強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)人員的安全防范意識(shí)，避免操作失誤導(dǎo)致設(shè)備腐蝕加重，給化工企業(yè)生產(chǎn)造成不良影響。

4 化工設(shè)備防腐策略

4.1 選擇防腐材料作為化工設(shè)備原材料

金屬材料是制造化工設(shè)備的主要原料，它的抗腐蝕性能會(huì)直接影響到化工設(shè)備的抗腐蝕性能。化工設(shè)備所處的應(yīng)用環(huán)境各種各樣，對(duì)它的制造工藝也有各不相同的技術(shù)要求[5]。有的需要良好的抗高壓性能，有的需要抗高溫性能，有的對(duì)抗凍性能要求較高，還有的需要極強(qiáng)的抗腐蝕和抗毒性能。

在為制造化工設(shè)備選擇原材料時(shí)，需要結(jié)合日后的生產(chǎn)工藝進(jìn)行適配選擇。這就要求化工設(shè)備的制造廠家對(duì)原材料的選擇，必須對(duì)包括溫度、壓力、工藝以及生產(chǎn)介質(zhì)等在內(nèi)的技術(shù)要求進(jìn)行綜合考量，力求材料選擇的準(zhǔn)確性。舉例來說，硅鑄鐵或鋁合金材料鈍化性能明顯，抗腐蝕能力很高，如果接觸到外部環(huán)境的腐蝕性介質(zhì)，會(huì)在表面有鈍化保護(hù)膜生成，保護(hù)化工設(shè)備表面不會(huì)因腐蝕性介質(zhì)受到腐蝕侵害。同時(shí)，如果以碳鋼材料為化工設(shè)備的原材料，這種材料會(huì)接觸到強(qiáng)氧化介質(zhì)后有鈍化保護(hù)膜生成，也會(huì)起到很好的防腐效果。如果需要設(shè)備具備較強(qiáng)的抗酸化能力，鉛性材料是合理選擇，通常鉛性材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍比96%的冷硫酸和80%的熱硫酸溶液都要低，接觸到類似物質(zhì)時(shí)設(shè)備表面會(huì)有鈍化物生成，起到很好的保護(hù)作用。而且，如果壓力性容器環(huán)境沒有過高溫度，需要選擇塑性和物理強(qiáng)度高的原材料；如果使用環(huán)境常年處于高溫環(huán)境，則要重點(diǎn)關(guān)注材料的抗疲勞性能，同時(shí)還要綜合考量生產(chǎn)環(huán)境的空氣成分和濕度，盡量控制腐蝕性介質(zhì)濃度，避免化工設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕[6]。

4.2 加強(qiáng)電化學(xué)腐蝕防范

若要減少腐蝕性介質(zhì)對(duì)化工設(shè)備造成的嚴(yán)重侵害，化工企業(yè)要在日常管理工作中重點(diǎn)關(guān)注化工設(shè)備，可把化工設(shè)備設(shè)置成原電池的陰極，在確保安全防護(hù)的前提下額外對(duì)設(shè)備施加電流，通過電流作用轉(zhuǎn)化設(shè)備金屬材料的原有性能，為設(shè)備配置陰極屬性，從而大幅降低電化學(xué)腐蝕因素對(duì)化工設(shè)備的不利影響。同時(shí)，也可以利用犧牲陽極的方式使設(shè)備的抗腐蝕性能得到提升，達(dá)到保護(hù)化工設(shè)備的目的。若化工設(shè)備沒有達(dá)到正常的電勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)值，金屬材料就可以實(shí)施陰極屬性轉(zhuǎn)化；相反金屬材料就可以實(shí)施陽極屬性轉(zhuǎn)化，起到對(duì)金屬陰極的保護(hù)，壓縮金屬材料出現(xiàn)腐蝕危害的幾率。

4.3 完善化工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作人員在設(shè)計(jì)化工設(shè)備時(shí)，需要綜合考量化工設(shè)備使用過程的環(huán)境、用途以及性質(zhì)等因素，依據(jù)防腐理論對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。期間還要重點(diǎn)考慮原材料性能、生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)工藝以及防腐處理方案，充分吸收先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念技術(shù)應(yīng)用，為化工設(shè)備設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)方案，確保生產(chǎn)的化工設(shè)備投入使用后發(fā)揮最佳的安全穩(wěn)定性效果。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案要突出化工設(shè)備的抗腐蝕性能，這就需要針對(duì)零部件銜接處的溝槽、焊接縫隙等進(jìn)行有效處理，以防腐材料涂刷焊接作業(yè)的縫隙或點(diǎn)位，在確保精準(zhǔn)焊接的基礎(chǔ)上提升設(shè)備的抗腐蝕性能，確保化工設(shè)備的安全使用，延長使用年限。同時(shí)，化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案要盡量壓縮焊接點(diǎn)位數(shù)目，嚴(yán)防溝槽和縫隙以及點(diǎn)位過和設(shè)備余高，銜接設(shè)計(jì)越簡約越好，規(guī)避局部震動(dòng)的問題出現(xiàn)，使設(shè)備結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化，從而提高抗腐蝕性能[7]。

4.4 加強(qiáng)化工設(shè)備表面的防腐處理

以防腐處理方式對(duì)化工設(shè)備表面進(jìn)行合理處置，是提升設(shè)備抗腐蝕性能的有效途徑，是設(shè)備腐蝕性危害的有效緩解方式。化工設(shè)備的防腐處理具體方式是，以防腐材料對(duì)化工設(shè)備暴露在空氣中的表面區(qū)域進(jìn)行涂抹，隔絕化工設(shè)備表面接觸外部環(huán)境腐蝕性介質(zhì)的途徑，防止腐蝕性氣體和液體腐蝕設(shè)備表面，為化工設(shè)備腐蝕危害降速。同時(shí)，如果化工設(shè)備表面已經(jīng)出現(xiàn)了輕度腐蝕，可通過噴霧或噴砂形式清潔設(shè)備表面，使其保持干燥整潔。此時(shí)需要科學(xué)配置噴霧劑，要對(duì)噴霧劑的堿性劑、稀釋劑以及輔助劑的劑量給予科學(xué)適配，噴涂作業(yè)要選擇最佳噴涂技術(shù)，確保防腐處理達(dá)到預(yù)期效果[8]。

4.5 科學(xué)化的生產(chǎn)作業(yè)模式

在化工企業(yè)的生產(chǎn)過程中，要求管理工作高效科學(xué)開展，安全管理一刻也不能放松。隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在突飛猛進(jìn)，市場對(duì)化工產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高。很多化工企業(yè)為了發(fā)展需要，建立起了先進(jìn)的生產(chǎn)管理模式，企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量和效率得到了很大提高，保障了化工企業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理和有力控制，減少了因人為失誤引發(fā)的安全事故。同時(shí)，生產(chǎn)模式向科學(xué)化方向發(fā)展，把生產(chǎn)過程先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，使人力物力成本得到有效控制，企業(yè)因此獲得更多經(jīng)濟(jì)效益。在市場經(jīng)濟(jì)體制條件下，各行各業(yè)都面臨巨大的競爭壓力。化工企業(yè)若要取得長足發(fā)展，應(yīng)在生產(chǎn)過程中大力推廣生產(chǎn)模式的科學(xué)化，利用科學(xué)技術(shù)，落實(shí)安全管理并貫徹到具體生產(chǎn)工作中去[9]。

4.6 健全安全生產(chǎn)管理制度體系

化工企業(yè)的生產(chǎn)過程是一個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)比較高的行業(yè)，很多化學(xué)原料和衍生物具有易燃易爆的性質(zhì)，給企業(yè)和工作人員帶來生命財(cái)產(chǎn)威脅。如果化工企業(yè)的安全管理體系不夠健全，容易發(fā)生重大安全事故，不僅有損企業(yè)形象，社會(huì)形象也會(huì)大打折扣。化工企業(yè)若想實(shí)現(xiàn)長久的安全穩(wěn)定發(fā)展，應(yīng)科學(xué)制定并不斷優(yōu)化完善安全管理標(biāo)準(zhǔn)，以高效的管理制度把安全事故的發(fā)生概率降到最低。

4.7 及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)生產(chǎn)設(shè)備

對(duì)化工設(shè)備開展管理工作非常重要，化工設(shè)備所處環(huán)境充滿了酸性物質(zhì)和水蒸汽等，長期暴露在空氣中，極易出現(xiàn)腐蝕，輕則給設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成不良影響，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，重則發(fā)生安全事故，出現(xiàn)重大的人身和財(cái)產(chǎn)傷亡損失。這就要求化工企業(yè)加強(qiáng)安全管理，對(duì)化工設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)生產(chǎn)過程的每道工序流程進(jìn)行認(rèn)真排查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的腐蝕危害和外泄隱患。在維護(hù)保養(yǎng)過程中，要進(jìn)行嚴(yán)格細(xì)致的工作記錄，為后續(xù)的安全管理提供可靠依據(jù)。同時(shí)，化工企業(yè)生產(chǎn)不僅要加強(qiáng)安全管理，還要注重引進(jìn)先進(jìn)理念和技術(shù)手段，及時(shí)維修和更換老舊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)化工設(shè)備的快速升級(jí)，為企業(yè)創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)效益[10]。

5 化工設(shè)備防腐設(shè)計(jì)案例分析

5.1 設(shè)計(jì)有限元優(yōu)化模型

在化工設(shè)備的設(shè)計(jì)方案中，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)，對(duì)化工設(shè)備的零部件展開綜合分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此提升化工設(shè)備的抗腐蝕性能。在此期間，需要對(duì)使用過程的變量進(jìn)行全盤考慮，這就需要設(shè)置幾何參數(shù)，如：接觸面積、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)都是必要參數(shù)，以約束條件為基礎(chǔ)選擇變量優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合腐蝕集中系數(shù)或結(jié)構(gòu)面積最小化，目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)由此形成。舉例來說，隱式函數(shù)中的變量是性能約束條件和目標(biāo)函數(shù)，靈敏度數(shù)據(jù)不能直接得到，此時(shí)可以引入有限元方法優(yōu)化計(jì)算方式，結(jié)合設(shè)計(jì)方式的傳統(tǒng)做法，確保化工設(shè)備零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到應(yīng)有的防腐性能。同時(shí)，在優(yōu)化化工設(shè)備的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要改變零部件原有的邊界形狀。但此時(shí)隨之改變了單元形狀，如果情況嚴(yán)重會(huì)扭曲網(wǎng)格，此時(shí)必須通過扭曲測試才能確保最佳優(yōu)化效果[11]。

設(shè)計(jì)變量是化工設(shè)備生產(chǎn)過程接觸產(chǎn)品的面積，目標(biāo)函數(shù)接受優(yōu)化后以F(t)代表，t代表設(shè)計(jì)變量向量。然而實(shí)際上，優(yōu)化化工設(shè)備零部件設(shè)計(jì)的過程有很大難度，需要設(shè)計(jì)構(gòu)建相當(dāng)復(fù)雜程度的相關(guān)模型才能完成。通過對(duì)有限元方法加以充分利用，再結(jié)合類型多樣的單元分析零部件運(yùn)行期間的腐蝕動(dòng)態(tài)和靈敏度分析，結(jié)合相關(guān)公式并利用優(yōu)化后的模型，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性。

5.2 獲取設(shè)備防腐優(yōu)化結(jié)果

較之優(yōu)化模型的傳統(tǒng)形式，通過有限元方法進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，進(jìn)一步簡化了計(jì)算程序，加快了防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)度。雖然計(jì)算步驟被精簡，但結(jié)果的精準(zhǔn)度卻大幅提升，非常適合生產(chǎn)需要。化工設(shè)備的防腐結(jié)構(gòu)優(yōu)化完善需要把優(yōu)化理念貫穿設(shè)計(jì)過程始終，通過專業(yè)適用軟件模擬化工設(shè)備生產(chǎn)過程的腐蝕動(dòng)態(tài)，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到全面優(yōu)化。充分發(fā)揮有限元方法的最大價(jià)值，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程積極利用，從而達(dá)到化工設(shè)備防腐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。求解有限元增量，對(duì)腐蝕動(dòng)態(tài)進(jìn)行高仿真模擬，在專業(yè)軟件上顯示其結(jié)果圖，對(duì)腐蝕部位做到及時(shí)準(zhǔn)確檢測后從而快速補(bǔ)救。

化工設(shè)備的防腐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)給出了最終結(jié)果，相關(guān)人員須據(jù)此對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行科學(xué)論證，就設(shè)計(jì)缺陷提出合理完善建議，經(jīng)多次論證和調(diào)整之后，使設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到全方位的優(yōu)化，同時(shí)涵蓋改變參數(shù)結(jié)構(gòu)和裝配約束。裝配約束在約束關(guān)系的基礎(chǔ)上再次確定，參數(shù)結(jié)構(gòu)以運(yùn)行結(jié)果為依據(jù)構(gòu)建零部件的新有限元模型，進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，結(jié)合精準(zhǔn)分析確認(rèn)該設(shè)計(jì)方案與防腐要求的匹配度。有限元方法不但能確保化工設(shè)備現(xiàn)有性能被有效保留，還能利用陰極保護(hù)使設(shè)備的抗腐蝕性能穩(wěn)步提升。從目前化工企業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐來看，化工設(shè)備實(shí)施結(jié)構(gòu)防腐優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)抗腐蝕性能提升成效顯著。

6 結(jié)語

在化工生產(chǎn)過程中，很多化工材料都具點(diǎn)腐蝕性特點(diǎn)，化工設(shè)備長期處在腐蝕環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象，不僅會(huì)影響化工性備運(yùn)行的穩(wěn)定性和化工設(shè)備使用壽命，也極易導(dǎo)致化工生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。因此對(duì)于化工企業(yè)來說，有效分析化工設(shè)備腐蝕原因，合理探討并嚴(yán)格實(shí)施化工設(shè)備腐蝕控制措施，具有重要意義。