壓力管道腐蝕與防護

壓力管道腐蝕與防護第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日1概述壓力管道的腐蝕是由于受到內(nèi)部輸送物料及外部環(huán)境介質的化學或電化學作用(也包括機械等因素的共同作用)而發(fā)生的破壞。壓力管道在使用中可能產(chǎn)生腐蝕、疲勞、蠕變、低溫脆斷、材質劣化等破壞形式，其中腐蝕破壞最具有普遍性。特別是化學工業(yè)，因其介質腐蝕性強，并常常伴有高溫、高壓、磨損等，最易發(fā)生管道破壞事故。壓力管道除輸送水、蒸汽、空氣及惰性氣體外，大多數(shù)輸送的是化工物料及燃料，一旦因腐蝕破壞造成物料泄漏，由于污染環(huán)境而引起公害，并往往釀成火災、中毒、爆炸等事故，給工業(yè)生產(chǎn)和人民生命帶來重大損失。壓力管道的腐蝕破壞形態(tài)，除全面腐蝕外，尚有局部腐蝕、應力腐蝕破裂、腐蝕疲勞及氫損傷。其中危害最大的當屬應力腐蝕破裂，往往在沒有先兆的情況下突然發(fā)生，造成預測不到的破壞。防止壓力管道腐蝕的方法是正確選材、設計以及良好的防護涂層，特殊情況下選用耐蝕非金屬材料，埋地管線同時采用陰極保護。第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日2壓力管道腐蝕的主要形式及機理腐蝕主要形式有：全面腐蝕，局部腐蝕，應力腐蝕，腐蝕疲勞，氫損傷等。2．1全面腐蝕全面腐蝕也叫均勻腐蝕，這是在管道較大面積上產(chǎn)生的程度基本相同的腐蝕。管道內(nèi)壁表面遭受輸送物料的全面腐蝕；管道外壁裸露表面(或有涂料但已全面失效)遭受大氣銹蝕。遭受全面腐蝕的管道，壁厚逐漸減薄，最后破壞。從工程的角度看，全面腐蝕并不是威脅很大的腐蝕形態(tài)，因為管道設計時可考慮足夠的腐蝕裕度。但應注意的是，在管道使用過程中，腐蝕速度往往因環(huán)境惡化(如超溫、加進腐蝕性成份等)而加劇，因此定期檢驗是十分必要的，通過定點測厚，掌握壁厚減薄的情況。第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日2．2局部腐蝕1)點蝕集中在金屬表面?zhèn)€別小點上的深度較大的腐蝕稱為點蝕，也叫孔蝕。大多數(shù)情況下，蝕孔是比較小的。蝕孔之間有時互相孤立，有時十分靠近，密集在一起。蝕孔直徑等于或小于深度，蝕孔形態(tài)如圖。

第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日2)縫隙腐蝕

當管道輸送的物料為電解質溶液時，在管道內(nèi)表面的縫隙處，如法蘭墊片處、單面焊未焊透處等，均會產(chǎn)生縫隙腐蝕，見圖4．3。第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日

3)焊接接頭的腐蝕通常發(fā)生于不銹鋼管道，有三種腐蝕形式：

(1)焊肉被腐蝕成海綿狀，這是奧氏體不銹鋼發(fā)生的δ鐵素體選擇性腐蝕。(2)熱影響區(qū)腐蝕。造成這種腐蝕的原因，是焊接過程中這里的溫度正好處在敏化區(qū)，有充分的時間析出碳化物，從而產(chǎn)生了晶間腐蝕，見圖4．5。第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日晶間腐蝕是腐蝕局限在晶界和晶界附近而晶粒本身腐蝕比較小的一種腐蝕形態(tài)，其結果將造成晶粒脫落或使材料機械強度降低。晶間腐蝕的機理是“貧鉻理論”。不銹鋼因含鉻而有很高的耐蝕性，其鉻含量必須要超過12％，否則其耐蝕性能和普通碳鋼差不多。不銹鋼在敏化溫度范圍(450～850℃)，奧氏體中過飽和固溶的碳將和鉻化合成Cr23C6，沿晶界沉淀析出。由于奧氏體中鉻的擴散速度比碳慢，這樣，生成Cr23C6所需的鉻必然從晶界附近獲取，從而造成晶界附近區(qū)域貧鉻。如果鉻含量降到l2％(鈍化所需極限鉻含量)以下，則貧鉻區(qū)處于活化狀態(tài)，作為陽極，它和晶粒之間構成腐蝕原電池，貧鉻區(qū)是陽極面積小，晶粒是陰極面積大，從而造成晶界附近貧鉻區(qū)的嚴重腐蝕。圖4．6是18—8鋼晶間腐蝕機理示意圖。第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日

第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日(3)第三種形態(tài)是熔合線處的刀口腐蝕，一般發(fā)生在用Nb及Ti穩(wěn)定的不銹鋼(347及321)。刀口腐蝕示意圖見圖4．7。第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日4)磨損腐蝕磨損腐蝕亦稱沖刷腐蝕。當腐蝕性流體在彎頭、三通等拐彎部位突然改變方向，它對金屬及金屬表面的鈍化膜或腐蝕產(chǎn)物層產(chǎn)生機械沖刷破壞作用，同時又對不斷露出的金屬新鮮表面發(fā)生激烈的電化學腐蝕，從而造成比其他部位更為嚴重的腐蝕損傷。5)冷凝液腐蝕對于含水蒸汽的熱腐蝕性氣體管道，在保溫層中止處或破損處之內(nèi)壁，由于局部溫度降至露點以下，將發(fā)生冷凝現(xiàn)象，從而造成冷凝液腐蝕，即露點腐蝕。

6)涂層破損處的局部大氣銹蝕對于化工廠的碳鋼管線，這種腐蝕有時會很嚴重，因為化工廠區(qū)的大氣中常常含有酸性氣體，比自然大氣的腐蝕性強得多。第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日2．3應力腐蝕破裂(scc)

金屬材料在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下發(fā)生的斷裂破壞，稱為應力腐蝕破裂。發(fā)生應力腐蝕破裂的時間有長有短，有經(jīng)過幾天就開裂的，也有經(jīng)過數(shù)年才開裂，這說明應力腐蝕破裂通常有一個或長或短的孕育期。應力腐蝕裂紋呈枯樹枝狀，大體上沿著垂直于拉應力的方向發(fā)展。裂紋的微觀形態(tài)有穿晶型、晶間型(沿晶型)和二者兼有的混合型。第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日1)堿脆金屬在堿液中的應力腐蝕破裂稱堿脆。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多種金屬材料皆可發(fā)生堿脆。2)不銹鋼的氯離子應力腐蝕破裂氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹鋼的應力腐蝕破裂。不銹鋼氯離子應力腐蝕裂紋是典型的枯樹枝狀穿晶型裂紋，并常常以孔蝕為起源，如圖4.14所示第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日3)不銹鋼連多硫酸應力腐蝕破裂在石油煉制工業(yè)中，以加氫脫硫裝置為典型，不銹鋼連多硫酸（H2SXO6，X=3～5）的應力腐蝕破裂頗為引人注目。不銹鋼在連多硫酸中產(chǎn)生的應力腐蝕裂紋一般是晶間型的，但也有穿晶與晶間共存的情況。圖4．15是不銹鋼管發(fā)生連多硫酸應力腐蝕破裂的兩個事例。第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日4）硫化物腐蝕破裂（SSCC）金屬在同時含硫化氫及水的介質中發(fā)生的應力腐蝕破裂即為硫化物腐蝕破裂，簡稱硫裂。在天然氣、石油采集，加工煉制，石油化學及化肥等工業(yè)部門常常發(fā)生管道、閥門硫裂事故。l

發(fā)生硫裂所需的時間短則幾天，長則幾個月到幾年不等，但是未見超過十年發(fā)生硫裂的事例。硫裂的裂紋較粗，分支較少，多為穿晶型，也有晶間型或混合型。第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日

5)其他常見的應力腐蝕破裂體系(1)碳鋼和低合金在農(nóng)用液氨中的應力腐蝕破裂純凈的液氨不會引起破裂，當液氨中混入空氣(02、N2、C02)，如化肥工業(yè)中的農(nóng)用液氨，則會引發(fā)應力腐蝕破裂，在液相部位和氣相部位均會產(chǎn)生。對焊縫進行消除殘余應力的熱處理，是必要的防護措施。(2)碳鋼在C0—C02一H20環(huán)境中的應力腐蝕破裂在合成氨、制氫的脫碳系統(tǒng)、煤氣系統(tǒng)、有機合成及石油氣等工業(yè)中常發(fā)生這類損傷事故。(3)奧氏體不銹鋼在高溫水中的應力腐蝕破裂在動力工業(yè)及核工業(yè)中，常發(fā)生這類損傷事故。溶解O2是促進因素，裂紋是晶間型，但：如含有clˉ，則裂紋將呈穿晶型。(4)碳鋼在硝酸鹽溶液中、煤氣液中、焦爐氣中都對應力腐蝕破裂敏感如碳鋼配管在焦爐氣(以CH4和H2為主，內(nèi)含C02、H2S、NH3、HCN、H20)中，35℃環(huán)境下，使用一年便發(fā)現(xiàn)裂紋，見圖4．20。第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日2．4腐蝕疲勞交變應力與化學介質共同作用下引起金屬力學性能下降、開裂，甚至斷裂的現(xiàn)象稱為腐蝕疲勞。介質與應力的共同作用往往比它們單獨作用或二者簡單疊加更加有害。疲勞性能通常是用s—N曲線及疲勞極限來衡量。我們可以通過腐蝕介質對其影響來說明腐蝕疲勞破壞的規(guī)律。圖4．21是腐蝕介質對S—N曲線的影響示意圖。由圖可見：①介質作用下疲勞強度的明顯下降，空氣和介質中的S—N曲線在高應力低循環(huán)次數(shù)一側比較靠近，二者差別減小。低應力時腐蝕疲勞壽命連續(xù)大幅度的下降，疲勞極限消失。②預先腐蝕然后再疲勞，雖然也可使強度下降，但其作用要比介質和應力同時作用弱除多。因此前者并非真正意義上的腐蝕疲勞。前者保留疲勞極限，后者疲勞極限消失。第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日

第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日腐蝕疲勞裂紋的特征如下：腐蝕疲勞裂紋往往有很多條，但無分枝，這是與應力腐蝕裂敝的區(qū)別。裂紋一般是穿晶的。圖4．22是蒸汽管道疲勞裂紋形貌。第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日壓力管道的疲勞源有三個方面：①機械激振壓縮機、泵的機械振動，傳遞給與之聯(lián)接的配管系統(tǒng)，而配管系統(tǒng)又受到支卡架的約束，位移不能迅速轉移，就會在機、泵與配管的聯(lián)接部位產(chǎn)生較大的振動應力。②流體工況壓縮機喘振將會使整個管路系統(tǒng)產(chǎn)生流體自激振動現(xiàn)象。③自然因素主要指風載荷及地震等自然因素使管道承受變動應力。第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日2．5氫損傷氫滲透進入金屬內(nèi)部而造成金屬性能劣化稱為氫損傷，也叫氫破壞。氫損傷可分為四種不同類型：氫鼓泡、氫脆、脫碳和氫腐蝕。1)氫鼓泡及氫誘發(fā)階梯裂紋主要發(fā)生在含濕硫化氫的介質中。2)氫脆不論以什么方式進入鋼內(nèi)的氫，都將引起鋼材脆化，即延伸率、斷面收縮率顯著下降，高強度鋼尤其嚴重。若將鋼材中的氫釋放出來(如加熱進行消氫處理)，則鋼的機械性能仍可恢復。氫脆是可逆的。第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日3）脫碳在工業(yè)制氫裝置中，高溫氫氣管道易產(chǎn)生脫碳損傷。鋼中的滲碳體在高溫下與氫氣作用生成甲烷：反應結果導致表面層的滲碳體減少，而碳便從鄰近的尚未反應的金屬層逐漸擴散到這一反應區(qū)，于是有一定厚度的金屬層因缺碳而變?yōu)殍F素體。脫碳的結果造成鋼的表面強度和疲勞極限的降低。第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日4)氫腐蝕鋼受到高溫高壓氫作用后，其機械性能變劣，強度、韌性明顯降低，并且是不可逆的，這種現(xiàn)象叫做氫腐蝕。氫腐蝕的微觀形貌見圖4．27。第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日3壓力管道防腐蝕設計管道在工作環(huán)境中的腐蝕損傷，是關系到裝置的安全性、可靠性及壽命的重要問題。特別是化工裝置的管道，在高溫、低溫、高壓及強腐蝕性介質中使用，與其他工業(yè)裝置相比，使用條件非?？量蹋虼藟毫艿赖姆栏g設計，即在設計中為防止腐蝕而采取的較為完善的措施，就特別重要。第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日3．1防腐蝕設計的基本內(nèi)容

(1)正確的選擇材料(2)防腐蝕措施的選擇及其設計(3)防腐蝕結構設計(4)防腐蝕強度設計(5)制造安裝及維修對防腐的影響

(6)管道預定壽命的確定第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日3．2防腐蝕材料的選擇原則從防腐蝕角度主要考慮的問題有：

(1)管道的使用條件①介質(組成、組成變化，微量成分或雜質、相態(tài)、濃度、流速及其分布情況、pH值、有無固體懸浮物等等)；②溫度(平均溫度、變化范圍、加熱與冷卻速度、溫度梯度)；③壓力(平均壓宓一、壓力分布變化范圍、變化方式)；④裝置運轉、停止時的條件(起動停止頻率、起動條件、停止時的措施)。

(2)材料的耐蝕性能①腐蝕速率(一般要求為0．05～0．1mm／a)；②有無產(chǎn)生局部腐蝕的條件及材料耐局部腐蝕的性能；③耐應力腐蝕破裂及腐蝕疲勞性能。

(3)材料的貨源、價格及經(jīng)濟性

(4)使用年限的考慮在設計管道時在使用年限的確定上一般依據(jù)是：①滿足整個生產(chǎn)裝置要求的壽命；②希望整個生產(chǎn)裝置各部分材料能均勻地劣化；③材料費／施工費／維修費綜合最佳的經(jīng)濟考慮。這樣經(jīng)過多方面綜合考慮、充分比較、最后得出最佳選擇。第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日3．3防腐蝕結構設計管道防腐蝕結構設計一般考慮以下四個原則。(1)電偶腐蝕的防止(2)縫隙腐蝕的防止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，而引起縫隙腐蝕。(3)磨損腐蝕的防止(4)避免熱電池腐蝕和冷凝液腐蝕

第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日3．4防腐蝕強度設計1)對于全面腐蝕的腐蝕裕度的確定即“腐蝕裕度”，加到原有的壁厚上去。2)對應力腐蝕破裂的考慮設計時，盡量避免使用會產(chǎn)生應力腐蝕破裂的金屬。但在實際生產(chǎn)中難以避免，因此應設法消除殘余應力，以防止應力腐蝕破裂的發(fā)生。殘余應力主要來自冷加工和焊接。因此，對在應力腐蝕破裂敏感介質中應用的金屬材，料，用熱加工成型代替冷加工成型，采取熱處理等方法來消除焊接殘余應力。第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日3．5對制造安裝及檢修的要求

1)焊接焊接對管道的腐蝕破壞影響很大，特別是對奧氏體不銹鋼、低合金高強度鋼和鈦材。因此對這些材料焊接的嚴格要求，應在設計的技術條件中給出。

2)熱處理管道如在應力腐蝕破裂敏感介質中工作，則焊縫應進行消除應力的熱處理。對于碳鋼和一般低合金鋼，通常采用退火熱處理，即在650℃保持2h。3)檢修第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日4壓力管道防腐蝕技術4．1防腐蝕涂料對涂料的要求主要有以下三個方面：(1)良好的耐蝕性涂料所形成的涂層，在接觸各種酸、堿、鹽、工業(yè)污水、化工大氣等腐蝕介質時，應比較穩(wěn)定，不能被腐蝕介質所溶解、溶脹或分解，也不能與介質起化學反應生成新的有害物質；(2)良好的防滲性涂層在接觸滲透性較強的液體或氣體介質時，有較好地阻止其滲透，防正其對管道表面的腐蝕作用；(3)較好的附著力和柔韌性：涂層不能因為管道的震動或輕微變形就脫落，要求涂層具有一定的機械強度。第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日常用防蝕涂料有以下幾種：(1)環(huán)氧樹脂防腐蝕涂料具有附著力強、耐酸耐堿、收縮率低等優(yōu)點，因此被廣泛用于管道內(nèi)外壁防腐。(2)瀝青防腐蝕涂料瀝青涂料的主要用途是防水及地下管道的防腐，用于地下管道防腐時，通常配合采用玻璃布包覆。(3)漆酚防腐蝕涂料(4)聚氨酯防腐蝕涂料聚氨酯漆耐酸、耐堿、耐油、耐水并且耐磨性也較好。第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日(5)烯烴樹脂防腐蝕涂料(6)過氯乙烯樹脂防腐蝕涂料(7)氯化橡膠防腐蝕涂料(8)氯磺化聚乙烯防腐蝕涂料(9)高溫防腐蝕涂料主要是有機硅樹脂耐熱漆，使用溫度可達500℃。(10)富鋅防腐蝕涂料(11)帶銹涂料應用帶銹涂料，可免去噴砂、酸洗、減輕勞動強度。(12)玻璃鱗片涂料(13)水泥砂漿第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日4．2耐腐蝕非金屬材料

1)工程塑料管道常用的耐腐蝕工程塑料管道有硬聚氯乙烯(PVC)管道、特級增強聚氯乙烯(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屬輕、有一定機械強度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和加工性能(可機械加工、熱成型和焊接)等特性，所以在防腐蝕工程中的應用越來越廣泛。第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日

2)不透性石墨管道不透性石墨有浸漬石墨、壓制石墨和澆注石墨三大類，都是用人造石墨和合成樹脂等糕成的導熱耐蝕材料。3)玻璃管玻璃管道具有化學穩(wěn)定性高、透明、光滑、耐磨、價廉等許多金屬材料不能比擬的特點。4)陶瓷管化工陶瓷管可分為耐酸管、耐溫管和瓷管三種。推薦使用溫度：耐酸管不大于90℃，耐溫管不大于150℃，瓷管不大于l20℃。陶瓷管道一般用于不承壓的場合.第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日5)玻璃鋼管道玻璃鋼又稱為玻璃纖維增強塑料，是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、玻璃帶、玻璃氈)為增強材料，以合成樹脂為粘結劑，經(jīng)過一定的成型工藝制作而成。6)自應力鋼筋混凝土壓力管有平口式管和承插式管兩種，已成功地用于輸送水、煤氣和熱電廠粉煤灰等。它與鑄鐵管相比，有下列優(yōu)點：①耐久性好。②不導電。③熱導率低。④長期輸水內(nèi)表面不長銹瘤、通水能力不變。⑤有裂縫閉合和愈合之能力。若出現(xiàn)寬度小于0．25mm的裂紋，在自壓應力作用下能閉合，通常仍可作壓力為0．6MPa以內(nèi)的輸水管使用。⑥鋪設簡便。⑦接頭密封性好，使用可靠。⑧價格便宜。缺點是：①自重大；②性脆、易斷；③當輸送含有固體顆粒的介質時，耐磨性不及鑄鐵管。第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日4．3鋼一非金屬復合材料管道1)鋼襯橡膠管道橡膠襯里層的選擇原則，主要應考慮腐蝕介質的特性、操作條件及具體施工的可能性：(1)介質腐蝕性強，但溫度變化不大，無機械振動的管道、管件，宜用1--2層硬橡膠，總厚度約為3～6mm。(2)對于腐蝕性氣體，為了避免氣體的擴散滲透作用，用二層硬橡膠襯里為宜。(3)凡介質含有固體懸浮物，需考慮耐磨性時，可采用厚2mm硬橡膠作底層，再襯貼所需厚度軟橡膠作面層。第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日(4)管道、設備外表面可能經(jīng)受撞擊時，可采用軟橡膠作底層，半硬橡膠作面層。(5)在真空條件下，一般不采用軟橡膠作底層。(6)在有劇烈振動的場合，不能使用橡膠襯里。(7)在同一管件、設備上，不能同時用硫化條件不同的二種硬橡膠或軟橡膠進行橡膠襯里。第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日橡膠襯里管道的使用范圍：(1)使用溫度：硬橡膠襯里長期使用溫度為O--65℃，短時間加熱允許提高至80℃；半硬橡膠、軟橡膠及硬橡膠復合襯里的使用溫度為-25～75℃，軟橡膠襯里短時間加熱允許提高至l00℃。(2)使用壓力：一般用于壓力低于0．6MPa，真空度不大于80kPa