浅析化工机械设备与腐蚀问题
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摘 要：本文主要对化工机械设备使用过程中容易发生腐蚀的问题进行了分析，并结合多年的工作经验如何提高化工机械设备的防腐蚀能力进行了探讨。
关键词：化工机械；防腐蚀；原因；设计；电化学腐蚀
所渭腐蚀是由化学或化学作用使物体消耗或破坏。是指金属设备零部件在接触介质(大气、水或含有酸、碱、盐的溶液等)的化学或电化学的作用下及机械的物理等作用下,发生形状、尺寸等变化而引起的破坏,这种破坏在化工生产中是非常普遍的。腐蚀是指金属与环境间的物理―化学相互作用，使金属性能发生变化，导致金属、环境及其构成系统功能受到损伤的现象。
化工机械设备腐蚀是自发的普遍现象，机械设备被腐蚀后，在外形、色泽及机械性能方面都将发生变化，造成设备被破坏以及资源和能源的严重浪费，企业受到巨大损失。研究腐蚀机理，采取防护措施，提高防腐能力，对化工企业有着十分重重要的现实意义。
一 腐蚀的原因和种类
1 腐蚀的原因
金属本身的组成和结构是锈蚀的根据；外界条件（如：温度、湿度、与金属接触的物质）是促使金属锈蚀的客观因素。在工业企业特别是化工企业的环境介质中，含有大量的SO2、CO2、H2S、氢氧化物、盐雾、硫化物、卤化物等有害物质，有些环境还伴有高温和潮湿等，在这些因素的综合影响下，金属便与这些有害物质发生物理化学反应，形成腐蚀。
2 腐蚀的种类
2.1 按腐蚀产生的机理分类
（1）化学腐蚀。金属表面与其周围的介质发生化学反应，生成一种新的物质（氧化物）从而使金属受到破坏。这类腐蚀主要以高温干燥环境下的金属与腐蚀介质直接发生反应的形式发生。
（2）电化学腐蚀。金属材料与电解质溶液接触，通过电极反应产生腐蚀。电化学腐蚀反应是一种氧化―还原反应，这类腐蚀主要发生在潮湿环境中。
2.2 按腐蚀产生的原因及表象分类
按腐蚀产业的原因及表象可分为：高温氧化腐蚀、剥层腐蚀、点状腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、疲劳腐蚀、电化学腐蚀、焊接应力腐蚀、振动磨损腐蚀、工业大气腐蚀、海洋大气腐蚀等。
对化工行业来说，机械设备的腐蚀以电化学腐蚀、焊接应力腐蚀、缝隙腐蚀及疲劳腐蚀为主，特别是电化学腐蚀最为严重，多种腐蚀的结果最终均导致电化学腐蚀发生。
二 腐蚀产生的化学机理
1 电化学腐蚀机理
金属的电化学腐蚀是指金属表面与离子导电介质发生电化学作用而产生的破坏。任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应至少包含有一个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流联系在一起。阳极反应是金属离子从金属转移到介质中并放出电子的过程，即阳极氧化过程。相对应的阴极反应是介质中氧化剂组分吸收来自阳极的电子的还原过程。碳钢在酸中腐蚀时，在阳极区Fe被氧化为Fe离子，所放出的电子自阳极（Fe）流至钢中的阴极（Fee）上，被离子吸收而还原成氢气，其反应式为：Fe+2H- Fe +H2，这种电化学腐蚀机理实质上是一个在金属内部形成的短路原电池，即电子回路短接，电流不对外做功，电子自耗于腐蚀电池内阴极的还原反应中。可见促进金属阳极的离子化，即可加剧腐蚀速度。
2 工业大气腐蚀机理
在工业污染较重的地区，空气中含有高浓度的SO2、CO2、H2S、卤化物、硫化物及盐等挥发物和工业粉尘等腐蚀性介质，这些介质物中的酸性气体在潮湿的条件下与水化合生成无机酸。铁质合金在这种介质中，会发生一系列连锁反应，导致钢材严重损坏。钢材在工业大气中的腐蚀是直接化学腐蚀和电化学腐蚀的结合，工业大气腐蚀以SO2的腐蚀最为严重，因为SO2可形成酸雨，起到催化剂的作用。从化学腐蚀和电化学腐蚀的本质来看，都是金属原子失去电子变成离子的氧化过程。区别在于化学腐蚀只是金属与周围介质在高温干燥条件下直接进行的化学反应，而电化学腐蚀的氧化过程则是发生在潮湿介质中，腐蚀过程形成了腐蚀微电池。
三 化工机械设备的防腐设计
腐蚀破坏是金属材料最主要的破坏形式之一，因此在机械设备的采购选用，包括选购后的安装使用各个环节，需要为设备自行设计配套一些附件，设备附件的功能作用和设备在腐蚀环境下的防腐设计是同等重要的。
1 材料选用
用于制造通用机械设备的材料多数为碳素钢，特点是价格低廉，采购方便，易于加工。在普通工况条件下使用时，腐蚀对其危害不大，但若使用在化工行业高浓度腐蚀性介质的环境下，因其抗腐蚀性能差，易于遭受侵蚀。如常用的Q235钢，在酸气、盐雾介质中的腐蚀速度高达0.5～1.0mm／a，虽然各企业都会定期对设备及构件进行防腐涂漆，但只要漆膜出现划伤或局部脱落，就会产生电化学腐蚀并不断扩展，导致使用寿命大大降低，因此化工企业一般不选用这类钢材制作机械设备，而选用耐腐蚀钢如16MnCu、09MnCuPTi等普通低合金钢为设备的制造基材。
虽然低合金钢价格比碳钢要贵些，但总体的经济效益比碳钢要高。统计显示，低合金钢制造的设备使用寿命是碳素钢设备的2～3倍，性价比还是高许多。
2 结构和工艺
如果构件的几何形状设计不合理或过于复杂，经常会引起机械应力、热应力、积液、积尘及金属表面漆膜漏涂破损等缺陷，从而导致局部的氧化腐蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀，应从防腐角度考虑结构设计和工艺设计的合理性。一般要求：
（1）构件的形状应尽可能简单。
（2）防止构件表面损坏或有伤痕。
（3）构件尽量选用同一种金属材料，如机座与主机应为同种材料，因不同材料间易产生电偶腐蚀。
（4）尽量减少缝隙。
（5）选择合适的结构形式和优质的防锈漆，以便使腐蚀介质与构件完全隔离，特别应注意焊缝的涂漆，合理的涂漆结构（如两块型材间的连接要采取背靠背的方式等）可使构件的任意一面或部位都方便涂漆。
（6）防止残余水在设备上的滞留，设计时要避免有向上的容器状凹处，如不能避免亦应设排水孔。
（7）焊接时应尽量防止出现内应力和应力集中，应采用连续焊，间断焊易产生内应力。
（8）应避免焊接缺陷，如焊瘤、咬边、喷溅及未焊透等，这些焊接缺陷会形成新的腐蚀点，
如焊瘤除了形成应力集中外，还在焊瘤与母材间形成夹缝；咬边是形成应力集中的根源，它的凹陷边也形成夹缝。这两种缺陷易产生应力腐蚀和缝隙腐蚀。焊接电流过小或焊接速度过慢易产生焊瘤；咬边的产生是由于焊接时焊接电流过大和焊接速度过快，以及角焊时焊条角度不适当等原因。焊缝未焊透造成的夹缝和孔洞也会引起缝隙腐蚀和小孔腐蚀。
（9）为进一步防止缝隙腐蚀，对构件连接处夹缝应合理设计。常见的构件连接形式有搭接
和对接两种：对搭接接头应尽可能不用铆接连接，因铆接节点的夹缝会积液和积尘，产生缝隙腐蚀，宜采用焊接连接。焊接连接应采用双面连续填角焊，即使二者的搭接面被焊缝完全封闭起来，如采用单面搭焊因搭接面处有缝隙会产生缝隙腐蚀和电偶腐蚀，不推荐；对于对接接头，应采用双面连续对接焊，从而避免缝隙腐蚀。
四 设备防腐蚀方法
机械设备防腐蚀的方法很多，主要为改善金属的本质，把被保护金属与腐蚀介质隔开，或对金属进行表面处理，改善腐蚀环境以及电化学保护等。电化学保护法是根据电化学原理在金属设备上采取措施，使之成为腐蚀电池中的阴极，从而防止或减轻金属腐蚀的方法，包括牺牲阳极保护法和外加电流法。牺牲阳极保护法是用电极电势把被保护金属更低的金属或合金做为阳极，固定在被保护金属上，形成腐蚀电池，被保护金属作为阴极而得到保护；外加电流法是将被保护金属与另一附加电极作为电池的两个极，使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护。此法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。
根据电化学腐蚀原理，采用牺牲阳极保护法对设备进行保护是一种有效的控制方法。目前我国常用的牺牲阳极材料有：镁阳极，包括纯镁、Mg―Mn系合金、Mg―A1―Zn―Mn合金；锌阳极，包括纯锌、Zn―Al系合金、Zn―Hg系合金、Zn―A1―Mn系合金、Zn―Al―Cd系合金；铝阳极，包括A1―Zn―Hg系、Al―Zn―Sn系和Al―Zn―In系合金等。以锌阳极为例，锌的标准电极电位比铁负，故当这两种金属在一定介质条件下接触时就构成了一个微电池，锌为阳极，铁为阴极，在介质中锌被腐蚀，铁得到保护。在具体使用中，牺牲阳极的安装方法可采用将牺牲阳极焊在设备的构件上，也可用螺栓进行固定。在采用螺栓固定时，必须注意阳极与金属本体间的绝缘，一般用橡胶垫、尼龙垫等来隔离；如果是将阳极直接焊接在构件上，必须注意阳极本身与被保护金属本体之间有一定距离，而不能直接接触。此外，牺牲阳极的面积与被保护设备的表面积应有一定比例，通常是被保护金属面积的1%～5%，分布在被保护金属的表面上。目前，各国已广泛应用牺牲阳极保护法对化工装置、油罐、地下管道、电厂钢结构、锅炉等进行保护，取得很好效果。
五 结语
综上所述，腐蚀性介质普遍存在于化工生产企业的工作环境中，处于该种环境下的机械设备，受到的腐蚀比一般行业更快、更严重，造成的损失也比其它行业大得多。加强化工行业机械设备的防腐蚀能力，延长化工机械设备的使用寿命，很有必要，意义重大。
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