碳鋼和不銹鋼法蘭連接的腐蝕問題及解決方案

徐慶東

福陸中國工程建設有限公司 （上海 201103）

石油化工設備作為石化生產的重要承壓設備，對整個石化裝置體系的安全平穩運行具有決定性作用。石油化工設備種類繁多，包括反應器、冷換設備、分離塔、壓力儲罐、傳輸泵以及連接的壓力管道等。石化工程裝置的運行工況復雜多變，承壓設備在運行過程中往往受到各種酸堿腐蝕性溶液的作用，加之高溫高壓的環境會加劇其腐蝕，其性能和壽命都會受到損害，嚴重的腐蝕甚至會導致重大安全事故的發生，對生命財產造成巨大損失。

法蘭連接是承壓設備與壓力管道之間以及壓力管道組成件之間最普遍的連接方式。在石油化工裝置中，碳鋼法蘭和不銹鋼法蘭配對連接的地方比較常見，這就引出了碳鋼和不銹鋼法蘭連接的異種金屬接觸腐蝕問題。本文針對該腐蝕問題展開詳細分析，對不同項目的解決方案進行討論，以期為從事石油化工金屬材料防腐工作的同仁帶來幫助和啟發。

1 金屬腐蝕

1.1 金屬腐蝕的定義

金屬腐蝕指金屬材料在外界環境（介質）中發生化學或電化學作用而引起的破壞或變質。

1.2 金屬腐蝕的機理

根據金屬腐蝕的過程，腐蝕總體上分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類。化學腐蝕是與環境介質直接發生化學反應而產生的破壞，最常見的是金屬材料的氧化反應；電化學腐蝕是不純的金屬或合金在電解質溶液中發生原電池反應，比較活潑的金屬失電子被氧化而消耗。[1]

1.3 金屬腐蝕的分類

金屬腐蝕的機理比較復雜，腐蝕現象也多種多樣。一般情況下，按照腐蝕機理、腐蝕形態以及腐蝕環境等三個方面進行分類，具體如表1所示。

表1 金屬腐蝕的分類

1.4 金屬腐蝕的危害

腐蝕危害普遍存在于國民經濟中的各行各業，如石油、化工、能源、交通、機械、食品、醫藥等。統計數據顯示：每年因腐蝕造成的各種經濟損失約占國家經濟總量的3%～4%；全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經濟損失約7000億～10000億美元；手表上的秒針每轉過一圈半，世界上就有1 t的鋼鐵被腐蝕成鐵銹。

從上述數據可以看出腐蝕對于自然資源及材料的消耗是驚人的。2017年4月24日是第9個“世界腐蝕日”，世界腐蝕組織主席、中國科學院金屬研究所研究員韓恩厚在接受中央媒體采訪時介紹說：“腐蝕是全人類共同面對的問題，涉及消耗資源、影響環境和人類健康。我國腐蝕總成本約為國內生產總值（GDP）的5%，腐蝕代價大于所有自然災害損失的總和。”與地震、海嘯等自然災害相比，腐蝕的破壞力同樣極強，同時因為腐蝕的發生悄無聲息且時間漫長，容易被人忽視。

1.5 金屬腐蝕的防護

針對金屬材料發生的腐蝕類別，需要采取針對性的防腐措施。目前，石油化工領域主要采取的防護措施如表2所示。

表2 金屬腐蝕的防護措施

2 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的腐蝕問題

2.1 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的腐蝕機理

碳鋼和不銹鋼法蘭連接存在不同金屬間接觸的的腐蝕問題，主要存在以下2種腐蝕現象：

（1）滲碳：碳鋼中的碳發生遷移，與不銹鋼中的鉻形成碳化鉻。導致不銹鋼材料局部形成“貧鉻區”，在腐蝕介質作用下，貧鉻區失去耐蝕能力，見圖1。

圖1 不銹鋼晶界貧鉻區示意圖

（2）電化學腐蝕：不銹鋼材料由于含有鉻、鎳等合金元素，電極電位高于普通碳素鋼，在潮濕的環境下二者之間發生原電池反應，碳鋼中的鐵失去電子變成鐵離子而受到腐蝕，同時與之接觸的不銹鋼材料受到鐵離子污染，見圖2。

圖2 電子化學腐蝕機理

2種腐蝕情況往往同時發生并互相影響，若長期處于石油化工廠區的酸性潮濕大氣或電解質溶液環境中，腐蝕會進一步加劇。

2.2 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的應用場合

在石油化工裝置中，由于受到工藝條件、設備及儀表定型產品等的影響，碳鋼法蘭和不銹鋼法蘭配對連接比較常見，主要存在于以下場合：

（1）不同材質管道等級分界的法蘭連接處；

（2）不銹鋼設備管口與碳鋼管道的法蘭連接處；

（3）碳鋼管線上不銹鋼儀表的法蘭連接處；

（4）碳鋼管線上不銹鋼特殊件的法蘭連接處。

2.3 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的腐蝕危害

不銹鋼法蘭和碳鋼法蘭連接主要存在兩種腐蝕現象：滲碳及電化學腐蝕。以奧氏體不銹鋼材料為例，滲碳現象發生時，多余的碳不斷向奧氏體晶粒邊界擴散，與晶界附近的鉻化合形成碳化鉻。當晶界附近鉻的質量分數小于12%時，就形成了所謂的“貧鉻區”，從而發生晶間腐蝕，導致奧氏體不銹鋼內部晶粒間的結合力受到破壞，大大降低金屬材料的機械強度。更棘手的是：腐蝕發生在材料內部晶界間，而金屬材料表面仍保持一定的金屬光澤，因此問題難以被發現。

不銹鋼法蘭和碳鋼法蘭連接的電化學腐蝕危害同樣應當引起重視。兩種不同金屬材質的鈍化膜性質不同，穩定性也不同，在電解質溶液環境中接觸后，由于電位差的原因會加速鈍化膜的破壞，進一步加劇腐蝕。金屬表面的斑斑銹跡不僅影響美觀，也進一步威脅到石化設備的長期安全平穩運行。

2.4 碳鋼和不銹鋼法蘭連接的防腐措施

針對不銹鋼和碳鋼法蘭連接存在的腐蝕問題，可采取針對性的措施減緩腐蝕的進程，從而有效保護金屬材料，延長其使用年限。在石油化工項目設計建設及實際運行維護中，主要采取如下3種防腐措施應對異種金屬法蘭連接的腐蝕問題：

（1）金屬表面覆蓋保護層，如油漆、油脂等，或電鍍鋅、鉻等易氧化的金屬，形成致密的氧化膜作保護層；

（2）碳鋼法蘭系統焊接鋅塊，腐蝕發生時，活潑金屬鋅代替碳鋼中的鐵元素失去電子受到腐蝕，從而使碳鋼材料受到保護，即犧牲陽極式陰極保護；

（3）法蘭連接密封面處選用絕緣墊片，緊固螺栓加絕緣套筒，螺母與法蘭接觸處增加絕緣墊圈。

3 碳鋼和不銹鋼法蘭連接腐蝕問題的幾點思考

3.1 異種金屬法蘭連接腐蝕現象發生的外部環境因素及影響

碳鋼和不銹鋼材料直接接觸會發生滲碳現象。在石化工程領域，不同金屬材料的壓力設備、管材管件、儀表組成件等需分開存放，不得直接接觸；不銹鋼管道不得直接放置在結構碳鋼梁上，需加裝隔離墊（橡膠墊或不銹鋼套筒）。異種材料不允許直接接觸是目前工程設計、施工安裝以及質量驗收階段普遍認可并遵循的基本原則。有一種觀點認為，將不銹鋼法蘭件進行酸洗鈍化處理，使其表面生成致密的鈍化膜可以有效阻隔外界介質的腐蝕，且該工藝簡單，只需常溫浸泡即可。不銹鋼表面鈍化處理確實能起到一定的保護作用，但并不能一勞永逸。對于外界條件惡劣且復雜的石油化工裝置 （如在高溫高壓下長期運行的壓力設備及管道）來說，酸性腐蝕環境的長期作用及運營維護的外力干預等都會破壞不銹鋼表面的鈍化保護膜；隨著環境溫度的升高，滲碳速率也會加快。

電化學腐蝕的發生需要具備如下基本條件：不純金屬材料存在電極電位差且處于電解質溶液環境中。普遍觀點認為:電解質溶液溫度越高，腐蝕速率越快；電解質溶液的pH越小，腐蝕速率越快；電解質溶液中鹽的濃度增加，腐蝕速率加快，當濃度進一步增加時，腐蝕速率又逐漸減小（溶液中氧的溶解度隨鹽濃度的增加而逐漸降低，去極化作用減小）。

3.2 異種金屬法蘭連接腐蝕防護必要性和經濟性的平衡

異種金屬法蘭連接的腐蝕問題需要重視并應采取針對性的防護措施。筆者梳理了過去十年來參與過的國內外石油化工項目的腐蝕防護措施，具體參見表3。

從表3可以看出：金屬表面覆蓋保護層是石化工程裝置普遍采取的保護措施，陰極保護措施應用不多，只針對標定為腐蝕環境惡劣的區域使用；海外項目額外考慮了絕緣墊片和螺栓絕緣套筒的使用，比國內石化項目更加重視異種法蘭連接的腐蝕問題。近年來，石化企業高度重視安全生產和環境保護，也更加關注金屬腐蝕的問題，力求達到安全生產和經濟效益的平衡。

3.3 異種金屬法蘭連接絕緣墊片和螺栓套筒選用注意事項

針對不銹鋼法蘭和碳鋼法蘭連接的腐蝕防護，絕緣墊片、絕緣螺栓套筒和絕緣墊圈因具有局限性并沒有被石化項目廣泛采用。首先，墊片選用的依據是介質、溫度以及壓力等條件，只有在以上條件均滿足的基礎上方可考慮其絕緣性；其次，異種金屬法蘭絕緣后，對于輸送可燃流體介質的管路需考慮法蘭兩側單獨靜電接地，增加了接地成本；再次，高溫、高壓及腐蝕性介質管路用法蘭絕緣墊片的價格相對較高，絕緣套筒及絕緣墊圈的使用也會增加項目成本。

表3 參與項目的異種法蘭連接的防腐保護匯總（2007—2017年）

4 結語

在石油化工裝置的設計、制造、建設以及生產運行階段，專業人員需要高度重視壓力容器和壓力管道系統中碳鋼和不銹鋼法蘭連接的腐蝕問題。在充分保證系統安全運行的前提下，結合裝置的實際情況和工藝特點，經濟合理地采取有效的防護措施；在定期維護和大檢修期間，有針對性地進行腐蝕檢測，及時更換腐蝕嚴重的金屬材料部件，分析腐蝕發生的原因并提出相應的解決方案。

[1]董衛新.淺析石油化工機械設備的腐蝕與防護 [J].工業C， 2015(47):86，89.

[2]王懷義.石油化工管道安裝設計便查手冊 [M].2版.北京：中國石化出版社，2007.