化工設備腐蝕與腐蝕控制的措施

王忠悌(滄州鑫泰管業有限公司，河北 滄州 061000)

0 引言

化工設備是化工生產得以開展的必備條件，如果化工設備出現問題，不僅會嚴重影響化工企業生產效率和經濟效益，也不利于化工企業的良性發展。在化工企業生產過程中，最常見的化工設備問題就是化工設備腐蝕現象，一旦化工設備受到腐蝕，在縮減化工設備使用壽命的同時產生大量的生產安全隱患。因此，這就要求化工企業在詳細了解和掌握化工設備腐蝕現象形成原因的基礎上，科學探索并落實針對性的化工設備防腐蝕策略，以便為化工生產安全順利開展提供有效保障。

1 化工設備防腐意義

化工企業的化工設備因受到諸多腐蝕性因素的嚴重破壞，不僅其使用年限大幅縮短，也會影響到化工企業的質量和產值，嚴重時還會帶來人身和財產安全事故。因此，化工企業應對化工設備的嚴重腐蝕提起高度重視，以切實可行的針對性措施加以防范。防腐處理就是化工設備的有效防腐手段，腐蝕性介質因防腐處理而與化工設備易腐蝕區域隔離，將腐蝕問題降速，從而延長使用年限。而且通過防腐處理，可減少因設備腐蝕后引發的事故，保護了企業的人身財產安全，減少了生態環境威脅。同時，以防腐手段處理化工設備，化工生產和企業效率都可得到有效提升，化工企業也可以獲得長期發展的續航動力[1]。

2 腐蝕機理

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境因素的影響下出現物理溶解或化學反應，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理：

(1)電化學腐蝕機理。電化學腐蝕機理主要腐蝕金屬材料。金屬材料接觸到外部環境中的腐蝕性介質而出現化學反應，期間化工設備上的金屬材料起到陽極作用，腐蝕性介質成為陰極，二者相互作用致使化工設備受到電化學腐蝕，設備的整體質量和性能會受到嚴重影響，出現各種運轉故障。

(2)大氣腐蝕機理。金屬材料是制造化工設備的主要原料，當所處環境含有大量污染物質時，與金屬材料產生反應而腐蝕，這就是大氣腐蝕。化工企業的生產過程會有酸性物質排放到周圍大氣中，它們接觸到金屬材料表面就會有化學反應產生，從而腐蝕化工設備，給設備的正常運轉帶來各種干擾[2]。

3 化工設備腐蝕原因

3.1 化工生產內在因素的影響

(1)化工設備自身材料抗腐蝕能力不夠強。金屬材料是制造化工設備的主要原料，金屬材料的質量和性能直接決定化工設備的最終質量。通常金屬材料會持續增大晶體密度，也因此帶動化工設備提升抗腐蝕性能。目前的國內一些化工設備所用金屬材料抗腐蝕性能不夠強，一旦周圍環境提供了腐蝕性因素，化工設備極易受到嚴重腐蝕。

(2)溶液性質影響。在化工企業的生產過程中，酸堿溶液的用量很大，由金屬材料制造的化工設備接觸到酸堿溶液后會產生化學反應，致使化工設備受到嚴重腐蝕。如果化工設備接觸到化工生產所用的酸堿溶液，操作人員清理不及時、不徹底，殘留的酸堿溶液就會腐蝕設備表面，致使化工設備的運轉過程出現各種故障[3]。

(3)部分化工設備結構設計不合理。在化工設備制造過程中，因自身不合理的結構設計，也會在投入使用后容易產生各種腐蝕。舉例來說，化工設備由各種各樣的零部件共同構成，部件之間必定會有銜接，銜接方式多為焊接，這樣一來會有大量溝槽和縫隙存在。化工企業的生產過程會有大量酸堿溶液投入使用，之后會有少許酸堿溶液殘留在溝槽和縫隙部位，時間一長就會腐蝕到化工設備，使得設備老化速度加快，大幅縮短使用年限。目前國內在化工設備制造方面，一些設備表面不夠光滑，具有很高的粗糙度，極易在腐蝕性介質的侵擾中造成腐蝕，從而影響正常運轉[4]。

3.2 外在因素影響

(1)化工生產環境因素。化工企業的生產過程會有大量腐蝕性氣體和液體在空氣或容器中流動，一旦化工設備被腐蝕性液體浸染，環境氣流流動會使液體流動增速，會有越來越多的設備面積接觸到腐蝕性液體，腐蝕面積也會越來越大。如果化工設備的密實度達不到化工企業的生產使用標準，化工設備就會受到大面積腐蝕，使設備腐蝕程度越來越重。

(2)化工生產人員安全意識不強。化工企業的生產過程有很高的危險性，要求相關人員必須具備高度的安全防范意識。因此，化工企業必須加大對生產人員的安全培訓力度，盡量控制生產過程不發生安全事故。目前，一些化工企業迫于市場競爭壓力和壓縮生產成本的需要，自動化技術在化工生產領域的應用越來越廣泛，在一定程度上提升了化工企業向自動化轉型的水平。但因此使部分生產人員降低了安全意識，錯誤認為自動化操作不會發生事故。再加上有一些多道工序是自動化技術無法應對的，必須由人工操作來完成，因此仍需要強調生產人員的安全防范意識，避免操作失誤導致設備腐蝕加重，給化工企業生產造成不良影響。

4 化工設備防腐策略

4.1 選擇防腐材料作為化工設備原材料

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

在為制造化工設備選擇原材料時，需要結合日后的生產工藝進行適配選擇。這就要求化工設備的制造廠家對原材料的選擇，必須對包括溫度、壓力、工藝以及生產介質等在內的技術要求進行綜合考量，力求材料選擇的準確性。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，如果接觸到外部環境的腐蝕性介質，會在表面有鈍化保護膜生成，保護化工設備表面不會因腐蝕性介質受到腐蝕侵害。同時，如果以碳鋼材料為化工設備的原材料，這種材料會接觸到強氧化介質后有鈍化保護膜生成，也會起到很好的防腐效果。如果需要設備具備較強的抗酸化能力，鉛性材料是合理選擇，通常鉛性材料質量分數普遍比96%的冷硫酸和80%的熱硫酸溶液都要低，接觸到類似物質時設備表面會有鈍化物生成，起到很好的保護作用。而且，如果壓力性容器環境沒有過高溫度，需要選擇塑性和物理強度高的原材料；如果使用環境常年處于高溫環境，則要重點關注材料的抗疲勞性能，同時還要綜合考量生產環境的空氣成分和濕度，盡量控制腐蝕性介質濃度，避免化工設備的嚴重腐蝕[6]。

4.2 加強電化學腐蝕防范

若要減少腐蝕性介質對化工設備造成的嚴重侵害，化工企業要在日常管理工作中重點關注化工設備，可把化工設備設置成原電池的陰極，在確保安全防護的前提下額外對設備施加電流，通過電流作用轉化設備金屬材料的原有性能，為設備配置陰極屬性，從而大幅降低電化學腐蝕因素對化工設備的不利影響。同時，也可以利用犧牲陽極的方式使設備的抗腐蝕性能得到提升，達到保護化工設備的目的。若化工設備沒有達到正常的電勢標準值，金屬材料就可以實施陰極屬性轉化；相反金屬材料就可以實施陽極屬性轉化，起到對金屬陰極的保護，壓縮金屬材料出現腐蝕危害的幾率。

4.3 完善化工設備結構設計

工作人員在設計化工設備時，需要綜合考量化工設備使用過程的環境、用途以及性質等因素，依據防腐理論對設備結構進行合理設計。期間還要重點考慮原材料性能、生產工藝和設計工藝以及防腐處理方案，充分吸收先進的設計理念技術應用，為化工設備設計出科學合理的結構方案，確保生產的化工設備投入使用后發揮最佳的安全穩定性效果。同時，結構設計方案要突出化工設備的抗腐蝕性能，這就需要針對零部件銜接處的溝槽、焊接縫隙等進行有效處理，以防腐材料涂刷焊接作業的縫隙或點位，在確保精準焊接的基礎上提升設備的抗腐蝕性能，確保化工設備的安全使用，延長使用年限。同時，化工設備的結構設計方案要盡量壓縮焊接點位數目，嚴防溝槽和縫隙以及點位過和設備余高，銜接設計越簡約越好，規避局部震動的問題出現，使設備結構達到最優化，從而提高抗腐蝕性能[7]。

4.4 加強化工設備表面的防腐處理

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

4.5 科學化的生產作業模式

在化工企業的生產過程中，要求管理工作高效科學開展，安全管理一刻也不能放松。隨著國家經濟的高速發展，科學技術也在突飛猛進，市場對化工產品的質量要求越來越高。很多化工企業為了發展需要，建立起了先進的生產管理模式，企業的生產質量和效率得到了很大提高，保障了化工企業生產過程實現科學管理和有力控制，減少了因人為失誤引發的安全事故。同時，生產模式向科學化方向發展，把生產過程先進技術應用的優勢充分發揮出來，使人力物力成本得到有效控制，企業因此獲得更多經濟效益。在市場經濟體制條件下，各行各業都面臨巨大的競爭壓力。化工企業若要取得長足發展，應在生產過程中大力推廣生產模式的科學化，利用科學技術，落實安全管理并貫徹到具體生產工作中去[9]。

4.6 健全安全生產管理制度體系

化工企業的生產過程是一個危險等級比較高的行業，很多化學原料和衍生物具有易燃易爆的性質，給企業和工作人員帶來生命財產威脅。如果化工企業的安全管理體系不夠健全，容易發生重大安全事故，不僅有損企業形象，社會形象也會大打折扣。化工企業若想實現長久的安全穩定發展，應科學制定并不斷優化完善安全管理標準，以高效的管理制度把安全事故的發生概率降到最低。

4.7 及時維護保養生產設備

對化工設備開展管理工作非常重要，化工設備所處環境充滿了酸性物質和水蒸汽等，長期暴露在空氣中，極易出現腐蝕，輕則給設備的正常運轉造成不良影響，導致產品質量下降，重則發生安全事故，出現重大的人身和財產傷亡損失。這就要求化工企業加強安全管理，對化工設備進行及時維護保養，對生產過程的每道工序流程進行認真排查，及時發現并處理潛在的腐蝕危害和外泄隱患。在維護保養過程中，要進行嚴格細致的工作記錄，為后續的安全管理提供可靠依據。同時，化工企業生產不僅要加強安全管理，還要注重引進先進理念和技術手段，及時維修和更換老舊設備，實現化工設備的快速升級，為企業創造更大經濟效益[10]。

5 化工設備防腐設計案例分析

5.1 設計有限元優化模型

在化工設備的設計方案中，必須對結構進行防腐設計，對化工設備的零部件展開綜合分析并優化設計，以此提升化工設備的抗腐蝕性能。在此期間，需要對使用過程的變量進行全盤考慮，這就需要設置幾何參數，如：接觸面積、節點坐標都是必要參數，以約束條件為基礎選擇變量優化目標，結合腐蝕集中系數或結構面積最小化，目標的優化函數由此形成。舉例來說，隱式函數中的變量是性能約束條件和目標函數，靈敏度數據不能直接得到，此時可以引入有限元方法優化計算方式，結合設計方式的傳統做法，確保化工設備零部件結構設計達到應有的防腐性能。同時，在優化化工設備的零部件結構設計時，需要改變零部件原有的邊界形狀。但此時隨之改變了單元形狀，如果情況嚴重會扭曲網格，此時必須通過扭曲測試才能確保最佳優化效果[11]。

設計變量是化工設備生產過程接觸產品的面積，目標函數接受優化后以F(t)代表，t代表設計變量向量。然而實際上，優化化工設備零部件設計的過程有很大難度，需要設計構建相當復雜程度的相關模型才能完成。通過對有限元方法加以充分利用，再結合類型多樣的單元分析零部件運行期間的腐蝕動態和靈敏度分析，結合相關公式并利用優化后的模型，確保結構設計方案的合理性。

5.2 獲取設備防腐優化結果

較之優化模型的傳統形式，通過有限元方法進行優化后的結構設計模型，進一步簡化了計算程序，加快了防腐結構設計進度。雖然計算步驟被精簡，但結果的精準度卻大幅提升，非常適合生產需要。化工設備的防腐結構優化完善需要把優化理念貫穿設計過程始終，通過專業適用軟件模擬化工設備生產過程的腐蝕動態，進而使結構設計得到全面優化。充分發揮有限元方法的最大價值，對結構優化設計過程積極利用，從而達到化工設備防腐結構優化設計的目的。求解有限元增量，對腐蝕動態進行高仿真模擬，在專業軟件上顯示其結果圖，對腐蝕部位做到及時準確檢測后從而快速補救。

化工設備的防腐結構優化設計給出了最終結果，相關人員須據此對設計方案進行科學論證，就設計缺陷提出合理完善建議，經多次論證和調整之后，使設備的結構設計得到全方位的優化，同時涵蓋改變參數結構和裝配約束。裝配約束在約束關系的基礎上再次確定，參數結構以運行結果為依據構建零部件的新有限元模型，進行修改設計，結合精準分析確認該設計方案與防腐要求的匹配度。有限元方法不但能確保化工設備現有性能被有效保留，還能利用陰極保護使設備的抗腐蝕性能穩步提升。從目前化工企業的應用實踐來看，化工設備實施結構防腐優化設計，對抗腐蝕性能提升成效顯著。

6 結語

在化工生產過程中，很多化工材料都具點腐蝕性特點，化工設備長期處在腐蝕環境中運轉，不可避免地會出現腐蝕現象。一旦出現這種現象，不僅會影響化工性備運行的穩定性和化工設備使用壽命，也極易導致化工生產安全事故的發生。因此對于化工企業來說，有效分析化工設備腐蝕原因，合理探討并嚴格實施化工設備腐蝕控制措施，具有重要意義。