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1、压力管道腐蚀与防护,沈阳化工学院 李志安,1 概述压力管道的腐蚀是由于受到内部输送物料及外部环境介质的化学或电化学作用(也包括机械等因素的共同作用)而发生的破坏。压力管道在使用中可能产生腐蚀、疲劳、蠕变、低温脆断、材质劣化等破坏形式，其中腐蚀破坏最具有普遍性。特别是化学工业，因其介质腐蚀性强，并常常伴有高温、高压、磨损等，最易发生管道破坏事故。压力管道除输送水、蒸汽、空气及惰性气体外，大多数输送的是化工物料及燃料，一旦因腐蚀破坏造成物料泄漏，由于污染环境而引起公害，并往往酿成火灾、中毒、爆炸等事故，给工业生产和人民生命带来重大损失。压力管道的腐蚀破坏形态，除全面腐蚀外，尚有局部腐蚀、应力腐蚀破
2、裂、腐蚀疲劳及氢损伤。其中危害最大的当属应力腐蚀破裂，往往在没有先兆的情况下突然发生，造成预测不到的破坏。防止压力管道腐蚀的方法是正确选材、设计以及良好的防护涂层，特殊情况下选用耐蚀非金属材料，埋地管线同时采用阴极保护。,2压力管道腐蚀的主要形式及机理腐蚀主要形式有：全面腐蚀，局部腐蚀，应力腐蚀，腐蚀疲劳，氢损伤等。21全面腐蚀 全面腐蚀也叫均匀腐蚀，这是在管道较大面积上产生的程度基本相同的腐蚀。管道内壁表面遭受输送物料的全面腐蚀；管道外壁裸露表面(或有涂料但已全面失效)遭受大气锈蚀。遭受全面腐蚀的管道，壁厚逐渐减薄，最后破坏。从工程的角度看，全面腐蚀并不是威胁很大的腐蚀形态，因为管道设计时可
3、考虑足够的腐蚀裕度。但应注意的是，在管道使用过程中，腐蚀速度往往因环境恶化(如超温、加进腐蚀性成份等)而加剧，因此定期检验是十分必要的，通过定点测厚，掌握壁厚减薄的情况。,22局部腐蚀1)点蚀集中在金属表面个别小点上的深度较大的腐蚀称为点蚀，也叫孔蚀。大多数情况下，蚀孔是比较小的。蚀孔之间有时互相孤立，有时十分靠近，密集在一起。蚀孔直径等于或小于深度，蚀孔形态如图。,2)缝隙腐蚀 当管道输送的物料为电解质溶液时，在管道内表面的缝隙处，如法兰垫片处、单面焊未焊透处等，均会产生缝隙腐蚀，见图43。,3)焊接接头的腐蚀通常发生于不锈钢管道，有三种腐蚀形式：(1)焊肉被腐蚀成海绵状，这是奥氏体不锈钢发
4、生的铁素体选择性腐蚀。(2)热影响区腐蚀。造成这种腐蚀的原因，是焊接过程中这里的温度正好处在敏化区，有充分的时间析出碳化物，从而产生了晶间腐蚀，见图45。,晶间腐蚀是腐蚀局限在晶界和晶界附近而晶粒本身腐蚀比较小的一种腐蚀形态，其结果将造成晶粒脱落或使材料机械强度降低。晶间腐蚀的机理是“贫铬理论”。不锈钢因含铬而有很高的耐蚀性，其铬含量必须要超过12，否则其耐蚀性能和普通碳钢差不多。不锈钢在敏化温度范围(450850)，奥氏体中过饱和固溶的碳将和铬化合成Cr23C6，沿晶界沉淀析出。由于奥氏体中铬的扩散速度比碳慢，这样，生成Cr23C6所需的铬必然从晶界附近获取，从而造成晶界附近区域贫铬。如果铬
5、含量降到l2(钝化所需极限铬含量)以下，则贫铬区处于活化状态，作为阳极，它和晶粒之间构成腐蚀原电池，贫铬区是阳极面积小，晶粒是阴极面积大，从而造成晶界附近贫铬区的严重腐蚀。图46是188钢晶间腐蚀机理示意图。,(3)第三种形态是熔合线处的刀口腐蚀，一般发生在用Nb及Ti稳定的不锈钢(347及321)。刀口腐蚀示意图见图47。,4)磨损腐蚀 磨损腐蚀亦称冲刷腐蚀。当腐蚀性流体在弯头、三通等拐弯部位突然改变方向，它对金属及金属表面的钝化膜或腐蚀产物层产生机械冲刷破坏作用，同时又对不断露出的金属新鲜表面发生激烈的电化学腐蚀，从而造成比其他部位更为严重的腐蚀损伤。5)冷凝液腐蚀 对于含水蒸汽的热腐蚀性
6、气体管道，在保温层中止处或破损处之内壁，由于局部温度降至露点以下，将发生冷凝现象，从而造成冷凝液腐蚀，即露点腐蚀。6)涂层破损处的局部大气锈蚀 对于化工厂的碳钢管线，这种腐蚀有时会很严重，因为化工厂区的大气中常常含有酸性气体，比自然大气的腐蚀性强得多。,23应力腐蚀破裂(scc)金属材料在拉应力和特定腐蚀介质的共同作用下发生的断裂破坏，称为应力腐蚀破裂。发生应力腐蚀破裂的时间有长有短，有经过几天就开裂的，也有经过数年才开裂，这说明应力腐蚀破裂通常有一个或长或短的孕育期。应力腐蚀裂纹呈枯树枝状，大体上沿着垂直于拉应力的方向发展。裂纹的微观形态有穿晶型、晶间型(沿晶型)和二者兼有的混合型。,1)碱
7、脆 金属在碱液中的应力腐蚀破裂称碱脆。碳钢、低合金钢、不锈钢等多种金属材料皆可发生碱脆。2)不锈钢的氯离子应力腐蚀破裂 氯离子不但能引起不锈钢孔蚀，更能引起不锈钢的应力腐蚀破裂。不锈钢氯离子应力腐蚀裂纹是典型的枯树枝状穿晶型裂纹，并常常以孔蚀为起源，如图4.14所示,3)不锈钢连多硫酸应力腐蚀破裂 在石油炼制工业中，以加氢脱硫装置为典型，不锈钢连多硫酸（H2SXO6，X=35）的应力腐蚀破裂颇为引人注目。不锈钢在连多硫酸中产生的应力腐蚀裂纹一般是晶间型的，但也有穿晶与晶间共存的情况。图415是不锈钢管发生连多硫酸应力腐蚀破裂的两个事例。,4）硫化物腐蚀破裂（SSCC）金属在同时含硫化氢及水的介
8、质中发生的应力腐蚀破裂即为硫化物腐蚀破裂，简称硫裂。在天然气、石油采集，加工炼制，石油化学及化肥等工业部门常常发生管道、阀门硫裂事故。l 发生硫裂所需的时间短则几天，长则几个月到几年不等，但是未见超过十年发生硫裂的事例。硫裂的裂纹较粗，分支较少，多为穿晶型，也有晶间型或混合型。,5)其他常见的应力腐蚀破裂体系(1)碳钢和低合金在农用液氨中的应力腐蚀破裂 纯净的液氨不会引起破裂，当液氨中混入空气(02、N2、C02)，如化肥工业中的农用液氨，则会引发应力腐蚀破裂，在液相部位和气相部位均会产生。对焊缝进行消除残余应力的热处理，是必要的防护措施。(2)碳钢在C0C02一H20环境中的应力腐蚀破裂 在
9、合成氨、制氢的脱碳系统、煤气系统、有机合成及石油气等工业中常发生这类损伤事故。(3)奥氏体不锈钢在高温水中的应力腐蚀破裂 在动力工业及核工业中，常发生这类损伤事故。溶解O2是促进因素，裂纹是晶间型，但：如含有cl，则裂纹将呈穿晶型。(4)碳钢在硝酸盐溶液中、煤气液中、焦炉气中都对应力腐蚀破裂敏感 如碳钢配管在焦炉气(以CH4和H2为主，内含C02、H2S、NH3、HCN、H20)中，35环境下，使用一年便发现裂纹，见图420。,24腐蚀疲劳 交变应力与化学介质共同作用下引起金属力学性能下降、开裂，甚至断裂的现象称为腐蚀疲劳。介质与应力的共同作用往往比它们单独作用或二者简单叠加更加有害。疲劳性能
10、通常是用sN曲线及疲劳极限来衡量。我们可以通过腐蚀介质对其影响来说明腐蚀疲劳破坏的规律。图421是腐蚀介质对SN曲线的影响示意图。由图可见：介质作用下疲劳强度的明显下降，空气和介质中的SN曲线在高应力低循环次数一侧比较靠近，二者差别减小。低应力时腐蚀疲劳寿命连续大幅度的下降，疲劳极限消失。预先腐蚀然后再疲劳，虽然也可使强度下降，但其作用要比介质和应力同时作用弱除多。因此前者并非真正意义上的腐蚀疲劳。前者保留疲劳极限，后者疲劳极限消失。,腐蚀疲劳裂纹的特征如下：腐蚀疲劳裂纹往往有很多条，但无分枝，这是与应力腐蚀裂敝的区别。裂纹一般是穿晶的。图422是蒸汽管道疲劳裂纹形貌。,压力管道的疲劳源有三个
11、方面：机械激振 压缩机、泵的机械振动，传递给与之联接的配管系统，而配管系统又受到支卡架的约束，位移不能迅速转移，就会在机、泵与配管的联接部位产生较大的振动应力。流体工况 压缩机喘振将会使整个管路系统产生流体自激振动现象。自然因素 主要指风载荷及地震等自然因素使管道承受变动应力。,25氢损伤 氢渗透进入金属内部而造成金属性能劣化称为氢损伤，也叫氢破坏。氢损伤可分为四种不同类型：氢鼓泡、氢脆、脱碳和氢腐蚀。1)氢鼓泡及氢诱发阶梯裂纹 主要发生在含湿硫化氢的介质中。2)氢脆 不论以什么方式进入钢内的氢，都将引起钢材脆化，即延伸率、断面收缩率显著下降，高强度钢尤其严重。若将钢材中的氢释放出来(如加热进
12、行消氢处理)，则钢的机械性能仍可恢复。氢脆是可逆的。,3）脱碳 在工业制氢装置中，高温氢气管道易产生脱碳损伤。钢中的渗碳体在高温下与氢气作用生成甲烷：反应结果导致表面层的渗碳体减少，而碳便从邻近的尚未反应的金属层逐渐扩散到这一反应区，于是有一定厚度的金属层因缺碳而变为铁素体。脱碳的结果造成钢的表面强度和疲劳极限的降低。,4)氢腐蚀钢受到高温高压氢作用后，其机械性能变劣，强度、韧性明显降低，并且是不可逆的，这种现象叫做氢腐蚀。氢腐蚀的微观形貌见图427。,3压力管道防腐蚀设计 管道在工作环境中的腐蚀损伤，是关系到装置的安全性、可靠性及寿命的重要问题。特别是化工装置的管道，在高温、低温、高压及强腐
13、蚀性介质中使用，与其他工业装置相比，使用条件非常苛刻，因此压力管道的防腐蚀设计，即在设计中为防止腐蚀而采取的较为完善的措施，就特别重要。,31防腐蚀设计的基本内容(1)正确的选择材料(2)防腐蚀措施的选择及其设计(3)防腐蚀结构设计(4)防腐蚀强度设计(5)制造安装及维修对防腐的影响(6)管道预定寿命的确定,32防腐蚀材料的选择原则 从防腐蚀角度主要考虑的问题有：(1)管道的使用条件 介质(组成、组成变化，微量成分或杂质、相态、浓度、流速及其分布情况、pH值、有无固体悬浮物等等)；温度(平均温度、变化范围、加热与冷却速度、温度梯度)；压力(平均压宓一、压力分布变化范围、变化方式)；装置运转、停
14、止时的条件(起动停止频率、起动条件、停止时的措施)。(2)材料的耐蚀性能 腐蚀速率(一般要求为00501mma)；有无产生局部腐蚀的条件及材料耐局部腐蚀的性能；耐应力腐蚀破裂及腐蚀疲劳性能。(3)材料的货源、价格及经济性(4)使用年限的考虑 在设计管道时在使用年限的确定上一般依据是：满足整个生产装置要求的寿命；希望整个生产装置各部分材料能均匀地劣化；材料费施工费维修费综合最佳的经济考虑。这样经过多方面综合考虑、充分比较、最后得出最佳选择。,33防腐蚀结构设计 管道防腐蚀结构设计一般考虑以下四个原则。(1)电偶腐蚀的防止(2)缝隙腐蚀的防止 管道单面焊接时焊缝必须满焊和焊透，未焊透不但影响强度，
15、也因在管道内壁造成缝隙，而引起缝隙腐蚀。(3)磨损腐蚀的防止(4)避免热电池腐蚀和冷凝液腐蚀,34防腐蚀强度设计1)对于全面腐蚀的腐蚀裕度的确定 即“腐蚀裕度”，加到原有的壁厚上去。2)对应力腐蚀破裂的考虑 设计时，尽量避免使用会产生应力腐蚀破裂的金属。但在实际生产中难以避免，因此应设法消除残余应力，以防止应力腐蚀破裂的发生。残余应力主要来自冷加工和焊接。因此，对在应力腐蚀破裂敏感介质中应用的金属材，料，用热加工成型代替冷加工成型，采取热处理等方法来消除焊接残余应力。,35对制造安装及检修的要求 1)焊接 焊接对管道的腐蚀破坏影响很大，特别是对奥氏体不锈钢、低合金高强度钢和钛材。因此对这些材料
16、焊接的严格要求，应在设计的技术条件中给出。2)热处理 管道如在应力腐蚀破裂敏感介质中工作，则焊缝应进行消除应力的热处理。对于碳钢和一般低合金钢，通常采用退火热处理，即在650保持2h。3)检修,4压力管道防腐蚀技术41防腐蚀涂料对涂料的要求主要有以下三个方面：(1)良好的耐蚀性涂料所形成的涂层，在接触各种酸、碱、盐、工业污水、化工大气等腐蚀介质时，应比较稳定，不能被腐蚀介质所溶解、溶胀或分解，也不能与介质起化学反应生成新的有害物质；(2)良好的防渗性涂层在接触渗透性较强的液体或气体介质时，有较好地阻止其渗透，防正其对管道表面的腐蚀作用；(3)较好的附着力和柔韧性：涂层不能因为管道的震动或轻微变
17、形就脱落，要求涂层具有一定的机械强度。,常用防蚀涂料有以下几种：(1)环氧树脂防腐蚀涂料 具有附着力强、耐酸耐碱、收缩率低等优点，因此被广泛用于管道内外壁防腐。(2)沥青防腐蚀涂料 沥青涂料的主要用途是防水及地下管道的防腐，用于地下管道防腐时，通常配合采用玻璃布包覆。(3)漆酚防腐蚀涂料(4)聚氨酯防腐蚀涂料 聚氨酯漆耐酸、耐碱、耐油、耐水并且耐磨性也较好。,(5)烯烃树脂防腐蚀涂料(6)过氯乙烯树脂防腐蚀涂料(7)氯化橡胶防腐蚀涂料(8)氯磺化聚乙烯防腐蚀涂料(9)高温防腐蚀涂料 主要是有机硅树脂耐热漆，使用温度可达500。(10)富锌防腐蚀涂料(11)带锈涂料 应用带锈涂料，可免去喷砂、酸
18、洗、减轻劳动强度。(12)玻璃鳞片涂料(13)水泥砂浆,42耐腐蚀非金属材料 1)工程塑料管道 常用的耐腐蚀工程塑料管道有硬聚氯乙烯(PVC)管道、特级增强聚氯乙烯(UPVC)管道、聚乙烯(PE)管道、聚丙烯(PP)管道和ABS管道。工程塑料管道具有比金属轻、有一定机械强度、优良的耐腐蚀性能和加工性能(可机械加工、热成型和焊接)等特性，所以在防腐蚀工程中的应用越来越广泛。,2)不透性石墨管道 不透性石墨有浸渍石墨、压制石墨和浇注石墨三大类，都是用人造石墨和合成树脂等糕成的导热耐蚀材料。3)玻璃管 玻璃管道具有化学稳定性高、透明、光滑、耐磨、价廉等许多金属材料不能比拟的特点。4)陶瓷管 化工陶瓷
19、管可分为耐酸管、耐温管和瓷管三种。推荐使用温度：耐酸管不大于90，耐温管不大于150，瓷管不大于l20。陶瓷管道一般用于不承压的场合.,5)玻璃钢管道 玻璃钢又称为玻璃纤维增强塑料，是以玻璃纤维及其制品(玻璃布、玻璃带、玻璃毡)为增强材料，以合成树脂为粘结剂，经过一定的成型工艺制作而成。6)自应力钢筋混凝土压力管 有平口式管和承插式管两种，已成功地用于输送水、煤气和热电厂粉煤灰等。它与铸铁管相比，有下列优点：耐久性好。不导电。热导率低。长期输水内表面不长锈瘤、通水能力不变。有裂缝闭合和愈合之能力。若出现宽度小于025mm的裂纹，在自压应力作用下能闭合，通常仍可作压力为06MPa以内的输水管使用
20、。铺设简便。接头密封性好，使用可靠。价格便宜。缺点是：自重大；性脆、易断；当输送含有固体颗粒的介质时，耐磨性不及铸铁管。,43钢一非金属复合材料管道1)钢衬橡胶管道 橡胶衬里层的选择原则，主要应考虑腐蚀介质的特性、操作条件及具体施工的可能性：(1)介质腐蚀性强，但温度变化不大，无机械振动的管道、管件，宜用1-2层硬橡胶，总厚度约为36mm。(2)对于腐蚀性气体，为了避免气体的扩散渗透作用，用二层硬橡胶衬里为宜。(3)凡介质含有固体悬浮物，需考虑耐磨性时，可采用厚2mm硬橡胶作底层，再衬贴所需厚度软橡胶作面层。,(4)管道、设备外表面可能经受撞击时，可采用软橡胶作底层，半硬橡胶作面层。(5)在真
21、空条件下，一般不采用软橡胶作底层。(6)在有剧烈振动的场合，不能使用橡胶衬里。(7)在同一管件、设备上，不能同时用硫化条件不同的二种硬橡胶或软橡胶进行橡胶衬里。,橡胶衬里管道的使用范围：(1)使用温度：硬橡胶衬里长期使用温度为O-65，短时间加热允许提高至80；半硬橡胶、软橡胶及硬橡胶复合衬里的使用温度为-2575，软橡胶衬里短时间加热允许提高至l00。(2)使用压力：一般用于压力低于06MPa，真空度不大于80kPa。,2)钢衬玻璃管道 钢衬玻璃管道是钢管、管件与玻璃的复合体，系将熔融的玻璃以吹制法衬在经过焙烧预热的碳钢管或管件内壁，使玻璃牢固地粘附在管子、管件的内壁上，并处于一定的压缩状态
22、。3)搪玻璃管道 搪玻璃系由非金属无机物质以搪烧的方法施涂在金属底材上面形成的一种玻璃状瓷层(通常称其为瓷釉层)与金属紧密结合的复合材料。,4)塑料衬里管道 钢管内衬聚乙烯或聚丙烯的产品，国内已有生产和应用。但最有实用意义的还是钢管内衬氟塑料。氟塑料是各种含氟塑料的总称，应用较多的品种有聚四氟乙烯(PTFE或F4)、可熔性聚四氟乙烯(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP或F46)、聚三氟氯乙烯(PCTFE或F3)等。F4衬里管道已在各种工业部门得到成功的应用，经常接触到的介质有盐酸、硫酸、硝酸、王水、氢氟酸、多种有机酸、强氧化剂和多种有机溶剂。已使用过的最高温度为220，最高工作压力08MPa。,5)硬质聚氨酯泡沫塑料包覆管道 硬质聚氨酯泡沫塑料具有密度小、强度高、绝热、吸水率低、耐蚀自熄等特点，作为石油化工、输油输热水管道的外包覆材料(既绝热又防腐)，已得到广泛应用。聚氨酯硬质泡沫塑料是以多元羟基化合物和异氰酸酯为主要原料，在催化剂、发泡剂的作用下，经加工聚合发泡而成。6)防腐带材 用于管道外壁防腐，抗冲击，抗剥离，无污染，操作安全，施工简便，可手工作业，也可机械施工。,44其他防腐蚀技术1)阴极保护技术 2)缓蚀剂保护技术 3)金属喷涂渗镀防腐技术的应用,
