配管設(shè)計管道器材控制腐蝕的方法主要有以下幾種:
1. 正確選材和設(shè)計
材料的品種很多,不同材料在不同環(huán)境中有不同的腐蝕速度,有些腐蝕率很高,根本不能應(yīng)用。選材者對某一特定環(huán)境選擇腐蝕率低、價格較合適、物理力學(xué)性能等又適合設(shè)計要求的材料,是常用的、簡便而行之有效的控制腐蝕的方法。
①. 對于全面腐蝕的腐蝕裕度的確定
如果所選取的材料在管道使用的介質(zhì)中只產(chǎn)生全面腐蝕,那么在設(shè)計時一般把腐蝕與強度問題分開處理,即首先是進行材料力學(xué)的強度設(shè)計,計算出管道壁厚,然后再按照資料提供的年均腐蝕速率(也可來自腐蝕試驗的結(jié)果或經(jīng)驗),乘以預(yù)期的工作年限,得到一個附加的壁厚,即“腐蝕裕度”,加到原有的壁厚上去。
②. 對應(yīng)力腐蝕破裂的考慮
設(shè)計時,應(yīng)盡量避免使用會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的金屬。但在實際生產(chǎn)中難以避免,因此應(yīng)設(shè)法消除殘余應(yīng)力,以防止應(yīng)力腐蝕破裂的發(fā)生。殘余應(yīng)力主要來自冷加工和焊接。因此,對在應(yīng)力腐蝕破裂敏感介質(zhì)中應(yīng)用的金屬材料,可用熱加工成形代替冷加工成形、采取熱處理等方法來消除焊接殘余應(yīng)力。
2. 調(diào)整腐蝕環(huán)境
如果能消除環(huán)境中引起腐蝕的各種因素,腐蝕就會中止或減緩,但是多數(shù)環(huán)境是無法控制的,如大氣和土壤中的水分、海水中的氧等都不可能除去,化工生產(chǎn)流程也不可能任意變動,但是有些局部環(huán)境可以調(diào)整,例如鍋爐進水先去氧(加入脫氧劑亞硫酸鈉和胼等),可保護鍋爐管免受腐蝕。
3. 加入緩蝕劑
在腐蝕性介質(zhì)中,加入少量的一種或幾種物質(zhì),能使金屬的腐蝕速度大大降低,這種物質(zhì)或復(fù)合物質(zhì)就稱為緩蝕劑。這種保護金屬的方法通稱為緩蝕劑保護技術(shù)。
對于金屬管道來說,緩蝕劑保護技術(shù)屬工藝性防腐方法,緩蝕利的添加是通過工藝操作來實現(xiàn)的。緩蝕劑的防腐機理一般認為是在金屬表面上生成了連續(xù)的起隔離作用的吸附層保護膜,從而降低金屬的腐蝕速度。工業(yè)上采用緩蝕劑保護金屬管道的事例有:石油和天然氣(特別是高含硫的)的采、集輸系統(tǒng);煉油裝置的常減壓系統(tǒng);乙烯裂解裝置的工藝水系統(tǒng);合成氨苯菲爾法脫碳系統(tǒng);工業(yè)冷卻水系統(tǒng)等。
通常緩蝕劑有多種分類方法,按緩蝕劑的化學(xué)組成分類可分為無機緩蝕劑和有機緩蝕劑,如圖16.103所示。
4. 陰極保護
腐蝕電池中的陰極是接受電子產(chǎn)生還原反應(yīng)的電極,只有陽極才發(fā)生腐蝕。利用這個原理,可以從外部導(dǎo)入陰極電流至需要保護的設(shè)備上,使管道全部表面都成為陰極。陰極保護廣泛用于長輸管道、埋地管道、海水中的管道等。為了減少電流輸入,延長使用壽命,一般和涂料聯(lián)合應(yīng)用,是一種經(jīng)濟簡便、行之有效的防腐蝕方法。
管道的強制電流陰極保護系統(tǒng)見圖16.104。
各種陰極保護的優(yōu)缺點見表16.163。
5. 陽極保護
以管道作為陽極,從外部通入電流,一般將加速腐蝕,腐蝕電流隨陽極極化而增大。但是對可以鈍化的金屬則會出現(xiàn)另一情況,當電位隨電流上升,達到致鈍電位后,腐蝕電流急速下降,以后隨電位上升,電流不變,直到過鈍區(qū)為止。利用這個原理Edleanu 首先提出陽極保護的概念,以需要保護的設(shè)備為陽極,導(dǎo)入電流,使電位保持在鈍化區(qū)的中段(以免波動時進入活化區(qū)),腐蝕率可保持很低值,通入的電流就表示設(shè)備的腐蝕速度。這種方法需要一臺恒電位儀,用以控制設(shè)備的電位。因為它只適用于接觸鈍化溶液的可鈍化金屬,所以用途受限制。工業(yè)上已用于處理硫酸、磷酸、碳酸氫銨生產(chǎn)液、硝銨混肥等的不銹鋼或碳鋼制的各種管道設(shè)備。
6. 合金化
在基體金屬中加入能促進鈍化的合金成分,當加入量達到一定比例后,便得到耐蝕性優(yōu)良的材料。如鐵中加入鉻,當含鉻量達12%以上時,就成為不銹鋼,在氧化環(huán)境中由于表面生成鈍化膜,有很高的耐蝕性。鉻鋼中加入鎳,可擴大鈍化范圍,還可提高力學(xué)性能。鎳銅合金中的鎳大于30%~40%時,可得到含鎳10%~30%的銅鎳合金和蒙乃爾合金,它們比純銅和純鎳的耐蝕性在一些環(huán)境中都更優(yōu)越些。鎳合金是有名的耐蝕材料,如鎳鑄鐵有優(yōu)良的耐堿性,鎳鉬合金是少數(shù)能耐高溫非氧化性酸(如鹽酸)的合金。鎳鉬鉻鐵合金能耐高溫氧化性酸、次氯酸鹽、海水等,比一般不銹鋼更好。
7. 表面處理
金屬在接觸使用環(huán)境之前先用鈍化劑或成膜劑(鉻酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽混合液等)處理,表面生成穩(wěn)定密實的鈍化膜,耐蝕性大大增加。它與緩蝕劑防護法的不同之處,在于它在以后的使用環(huán)境中(如大氣、水)不需要再加入緩蝕劑,鋁經(jīng)過陽極處理,表面可以生成比在大氣中生成的更為密實的膜。這類膜在溫和的腐蝕環(huán)境(如大氣和水)中有優(yōu)良的耐蝕能力。鋼鐵部件表面發(fā)藍也是一個廣為應(yīng)用的例子。
8. 金屬鍍層和包覆層
在鋼鐵表層上可用一薄層更耐蝕的金屬(如鉻、鎳、鉛等)保護。常用的方法是電鍍,一般鍍2~3層,只有幾十微米厚,因而不可避免地存在微孔,溶液可滲人微孔,將構(gòu)成鍍層-底層腐蝕電池。鍍層如為貴金屬(金、銀等)或易鈍化金屬(鉻、鈦)以及鎳、鉛等時,由于電位比鐵高,將成為陰極,會加速底層鐵腐蝕。因此這類鍍層不適于強腐蝕環(huán)境(如酸),但可用于大氣、水等環(huán)境。除了電鍍外,還常用熱浸鍍(熔融浸鍍)、火焰噴鍍、蒸氣鍍和整體金屬薄板包鍍。后者因無微孔,耐蝕性強,壽命也更長,但價格高些。
9. 涂漆
用有機涂料保護大氣中的金屬結(jié)構(gòu),是最廣泛使用的防腐手段。各類油漆、清漆等都屬這一類,主要是由合成樹脂、植物油、橡膠漿液、溶劑、助干劑、顏料、填料等配制而成。品種極多,過去以植物油為主的油漆現(xiàn)在多為合成樹脂漆所替代。
10. 襯里
一般為整片材料,適用于和強腐蝕介質(zhì)接觸的管道內(nèi)部,如鹽酸、稀硫酸的儲槽用橡膠或塑料襯里、儲放硝酸的儲槽用不銹鋼薄板襯里等。耐酸磚(硅磚)也廣泛用于襯里,它耐強酸;耐火磚襯里則可起隔熱作用。搪瓷實際上是一種玻璃襯里,工業(yè)上稱為搪瓷玻璃,它的耐酸性強,廣泛用于食品、醫(yī)藥等工業(yè)。
11. 調(diào)整管道布置減少腐蝕
在設(shè)計時,為避免不合適的流動狀態(tài)對管道造成磨損腐蝕,通常要求流動狀態(tài)均勻,為避免流體通路斷面的急劇變化、不連續(xù)變化以及流動方向的急劇變化,應(yīng)盡量抑制流速差和壓力降,以免引起湍流和渦流。管道在轉(zhuǎn)彎及三通處以及孔板流量計的安放位置處都應(yīng)進行合理設(shè)計,盡量減少流體中固體顆粒的夾帶。圖16.105(c)左圖是鋼支柱未保溫造成的冷凝液腐蝕。對策是將鋼支架一起保溫,避免形成冷凝液,見圖16.105(c)右圖。圖16.105(d)中螺栓不要設(shè)置在垂直方向的最下方,以避免凝結(jié)水腐蝕螺栓。管道設(shè)計時,對于用在電解質(zhì)溶液中的管道,應(yīng)盡可能避免異種金屬(電位差超過50mV),管道直接組焊,否則會造成電偶腐蝕,即在電位較負的金屬側(cè)發(fā)生宏觀電池腐蝕。如必須采用不同金屬管道組合時,則在設(shè)計中要采取絕緣措施,見圖16.106(a)。管道單面焊接時焊縫必須滿焊和焊透,未焊透不但影響強度,也因在管道內(nèi)壁造成縫隙見圖16.106(b),而引起縫隙腐蝕。管法蘭對接時,墊片的內(nèi)徑要盡量和管道的內(nèi)徑相一致,見圖16.106(c)。墊片材料也會對縫隙腐蝕造成影響,一些纖維類的材料,由于能滲入電解質(zhì)溶液而引起縫隙腐蝕。
工程應(yīng)用:避免配管設(shè)計死端腐蝕
筆者在某中東國家參與負責(zé)設(shè)計某裝置項目,在管道布置設(shè)計時,出現(xiàn)了如圖16.107所示的A段死端(有的資料上稱為:Dead Leg),按照這個國家的配管設(shè)計規(guī)范要求,通常A段的死端不超過1m,如果超過了1m,流體在A段會產(chǎn)生腐蝕環(huán)境。