石油化工設備防腐蝕技術研究

馬 波

（中國石油大慶煉化分公司，黑龍江大慶 163700）

0 引言

石油化工設備主要用于運輸易燃、易爆物質，一旦發生泄漏將會給人們的生命、財產帶來巨大損失。由于所處環境比較惡劣，石油化工設備容易被腐蝕。為確保設備能正常運行，需要對石油化工設備進行防腐處理[1-2]。本文就石油化工設備防腐技術進行研究，借助信息技術實現設備防腐。

1 石油化工設備腐蝕原因及類別

1.1 腐蝕原因

關于石油化工設備腐蝕的原因，主要從環境、材料、結構設計與加工、微生物腐蝕等方面分析。

（1）環境方面。環境因素是影響設備腐蝕重要因素，如環境溫度、環境濕度、環境壓力、環境介質。環境溫度對腐蝕速率有顯著效應、環境濕度增加能夠加快石油設備腐蝕速率、環境壓力增加使腐蝕效率增加、環境介質能夠增加設備腐蝕速度。文獻［3］指出，環烷酸是石油化工設備中最大的腐蝕源，腐蝕反應為：RCOOH+FeS→Fe（RCOO）2+H2S。另外，溫度、濕度、壓力的增加，也會加速環烷酸腐蝕。

（2）材料方面。腐蝕主要是環境介質與石油化工設備表面發生電化學反應。石油化工設備常用的材料有Cr5Mo、16Mn、20#鋼以及317L、304#不銹鋼等，設備中合金元素含量的與腐蝕程度有一定關系。例如：相同腐蝕條件下，20#鋼腐蝕速率是321#不銹鋼100 倍；碳鋼在220 ℃下具有較強耐腐蝕性；Cr9Mo、Cr5Mo 鋼在高流速介質中容易發生腐蝕；奧氏體含鉬不銹鋼317L、3216L 則具有較強的耐腐蝕性等。

（3）結構設計與加工。石油化工設備結構設計與加工方面需要控制應力集中、殘余液體遺留，確保化工設備具有防腐條件。加工工藝對石油化工設備腐蝕有一定影響，如冷加工工藝會造成石油設備產生較大應力，容易造成設備受腐蝕。

（4）微生物腐蝕是石油管道重要腐蝕類型。一般認為微生物會在石油管道表明形成生物膜，這些生物膜產生的廢棄物會對石油管道形成腐蝕點。石油管道微生物腐蝕常見有SRB、IB、TGB。SRB（Sulfate-Reducing Bacteria，硫酸鹽還原菌）是原核微生物，它附著在石油管道表面時會產生EPS（Expandable Poly Styrene，發泡聚苯乙烯）、H2S（硫化氫），促進表面發生全面腐蝕。學術界認為SRB 誘導腐蝕機理主要有代謝產物腐蝕、直接電子傳遞、氫化酶陰極去極化。IB（Iron Bacteria，鐵細菌）腐蝕是指IB將Fe2+氧化為Fe3+，Fe3+在石油管道表面形成Fe（OH）3，促進電化學腐蝕。TGB（Total Growth Bacteria，腐生菌）腐蝕是指微生物的分泌粘液附著在石油管道上，該粘液結合雜質元素形成電化學腐蝕，也會加速石油管道的腐蝕速率。

1.2 腐蝕類型

石油化工設備腐蝕總體歸納為兩類，一種是電化學腐蝕，是設備與設備表面液體構成電極反應，通常發生在濕度比較高、微生物雜質比較多的環境；另一種是指化學腐蝕，是設備與周邊環境發生化學反應、將設備腐蝕現象。

2 石油設備防腐蝕技術

2.1 材料升級

采用優質的防腐材料是控制石油設備腐蝕的有效措施，可以采用的材料有復合鋼板、有機涂層、耐腐蝕合金鋼、滲鋁等。

（1）復合鋼板材料防腐技術。可采用溶膠凝膠法在鋼板上制備出復合涂層（圖1）。所設計的復合鋼板涂層使用正硅酸乙酯（TEOS）、去離子水、無水乙醇按照比例配制，混勻加入γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，攪拌均勻經過陳化后，可在石油設備碳鋼上鍍膜，即可得到復合涂層。

圖1 復合涂層制備流程

（2）有機涂層材料防腐技術。在石油管道設備中增加底漆、中間漆和面漆。有機涂層材料具有較強的防腐性，本文介紹雙組分水性環氧防腐底漆主要用于石油管道防腐。使用Banco2092環氧乳液、Banco920 胺類固化劑合成新的雙組分水性環氧防腐底漆，該防護材料在19 min 內表干，耐水性能達到2000 h、耐酸耐堿能達到48 h、耐中性鹽霧時間達到720 h[4]。

（3）耐腐蝕合金鋼材料防腐技術。在合金鋼材料中添加Mo、Ti、V、Cr、Si、Mn、La 等合金元素，形成一定合金氧化物、碳化物保護膜，這些保護膜能夠阻止合金中金屬離子擴散，實現金屬防腐目的。在合金中添加Mo 后σ 相等到有效控制，從而提升材料防腐性能。例如，在合金鋼中添加Cr、Mo 后能形成奧氏體不銹鋼，該材料在高溫環烷酸介質中具有較強耐腐蝕性。在316#不銹鋼中添加Mo 后能夠提高不銹鋼耐腐蝕性（圖2）。

圖2 添加Mo 金相組織

王子榮[5]在奧氏體不銹鋼中添加La2O3后，不銹鋼的耐腐蝕性得到提升，并構建了La2O3細化奧氏體晶粒方程：

式中（hkl）s——構建的基底低指數晶面

（hkl）n——形核形成低指數晶面

θ——［uvw］s與［uvw］n之間形成的角度，°

（4）滲鋁防腐蝕。在高溫下將鋁原子擴散到合金材料表面、形成含鋁的合金層。石油設備中滲鋁耐腐蝕原理是，鋼中滲鋁與Cl-、S2-化物形成耐腐蝕氧化物：

常見滲鋁工藝有4 種：①熱浸滲鋁是將設備放置在700～800 ℃鋁液中，放置3～15 min，最后在600～1050 ℃進行熱擴散，該工藝能耗高、膜層厚度難以控制；②熱噴涂滲鋁是將噴涂粉末加熱至融化狀態，采用高速氣流霧化裝置將粉末噴涂到設備表面；③粉末包埋滲鋁是在石油設備中加入滲鋁粉末，在900～1150 ℃加熱4～16 h，達到一定鐵鋁合金厚度；④漿料滲鋁是將石油設備與滲鋁懸浮液混合，在700～1100 ℃下加熱4～10 h，表面形成鐵鋁合金層。

2.2 應用緩腐蝕劑

為改善設備腐蝕情況，可以使用緩腐蝕劑。由于石油設備通常處于高溫環境，常溫緩腐蝕劑的效果不佳，需要使用高溫緩腐蝕劑。常見高溫緩腐蝕劑有以下3 種類型。

（1）磷酸系緩腐蝕劑。其工作原理是在石油設備表面生成難溶物磷酸鐵，阻止石油管道腐蝕。常見磷酸系緩腐蝕劑有磷酸酯-胺、全硫亞磷酸（C36H75PS3）、亞磷酸芳基，其中：磷酸酯-胺緩腐蝕液的代表是N5180，在400 ℃下其與石油管道中的鐵反應、生成磷酸鐵鹽，由于Fe—P 鍵能較高、生成的磷酸鐵鹽保護膜比較牢固，可以有效緩解石油管道腐蝕，全硫亞磷酸適用于200～400 ℃的蒸餾塔、塔盤以及測線管道油冷凝引起的腐蝕，有防腐作用，亞磷酸芳基緩腐蝕劑主要用于防止石油中硫化物腐蝕，添加為100～150 mgKOH/g 時防腐效果最佳。

（2）非磷酸高溫緩腐蝕劑。該類緩腐蝕劑包括脂肪酸氨基酰胺、有機多硫化合物、磺化烷基酚，其中：脂肪酸氨基酰胺是一種新型緩腐蝕劑，由脂環族二胺與松漿油脂肪酸反應制備，試驗數據表明其緩腐蝕效率能夠達到60%以上；有機多硫化合物常用的緩腐蝕劑結構為R-SX-R′（R、R′是含有6～30 個碳原子的烷基團，X 范圍為2～6），該類化合物在高溫下不穩定導致防腐蝕效果降低；磺化烷基酚主要用于200～400 ℃的煉油環境防腐蝕，通常是由烷基酚與三氧化硫合成制備，其最大的優點是不會引起煉油中催化劑中毒。

（3）混合型緩腐蝕劑。將兩種及兩種以上的緩腐蝕劑混合在一起，能夠提升緩腐蝕效果。常見混合型緩腐蝕劑有磷酸酯-胺、代磷酸酯-咪唑啉、亞磷酸二（或三）烷基酯-噻唑啉等。

2.3 控制流速和流態

石油化工設備在高溫環境下，環境酸度比較低、材料質量比較好都難以控制液體沖刷腐蝕，因此需要對設備中流體的流速、流態等進行控制，常見處理方式有增加管道管徑、對石油設備管道進行科學布線、石油管道焊接進行工藝改進等。管道中流速是流量除以橫截面積，可以增加管徑和控制流量從而實現流速降低。在對管道設計中，需要減少管道死角、盲腸、降低管道振動、讓流體按照直線流動。

2.4 應用信息技術進行腐蝕監管

近年來隨著物聯網技術的不斷發展，可將信息技術應用于腐蝕監管。可以使用腐蝕掛片、超聲波探測、電阻探測等測試方法，結合傳感器技術采集腐蝕現場數據并傳輸到服務器端，利用大數據技術進行腐蝕監督[6]。

石油設備大數據防腐平臺由數據庫、機器學習算法、可視化平臺、現場數據采集、現場傳感器以及硬件組成，其中：數據庫采用開源MySQL 數據庫、開源分布式NoSQL 數據庫組成，可以實現石油設備現場數據高效存儲以及關系數據庫管理；機器學習算法是大數據防腐平臺核心模塊可使用K-means算法進行石油設備防腐數據智能挖掘；可視化平臺是將挖掘數據展示在界面上，系統可使用網頁模式或客服端模式向用戶展示數據；現場數據采集使用5G 網絡將采集數據傳輸到服務器端；現場傳感器主要采集現場溫度、濕度、超聲波數據等（圖3）。

圖3 石油設備大數據防腐平臺

2.5 石油管道微生物防腐

石油管道微生物防腐可采用物理、化學、微生物方法：①物理方法是使用紫外線照射、超低頻波、超聲波殺菌方法，可殺死管道中的SRB 細胞；②化學方法是指在管道中添加殺菌劑，這樣能殺滅管道中微生物或抑制微生物生長，常見的殺菌劑有氧化性殺菌劑（氯粉精、氯氣）、非氧化性殺菌劑（季銨鹽、烷基胍、季磷鹽）；③生物方法是采用微生物之間競爭抑制管道微生物生長，如在管道中加入硝酸鹽抑制SRB 生長。

3 結束語

石油管道所處環境非常復雜，在實際中應該根據管道地理位置做出相應防腐措施。未來可借助先進互聯網技術實現石油管道防腐。因此在后續中急需解決石油管道防腐模型。該模型需要囊括石油管道腐蝕條件、影響指標等，借助先進大數據技術實現智能防腐。