腐蝕的危害及腐蝕控制的意義
一、腐蝕的危害
腐蝕是設備與構件的重要破壞形式之一,它與斷裂、磨損一起構成了材料在使用過程中的三大重要破壞形式,常導致設備早期失效或意外事故,造成巨大損失。
腐蝕永遠都是“正在進行時”,在熱力學上,除了極少數(shù)貴金屬(Au、Pt等)外,一般材料發(fā)生腐蝕都是一個自發(fā)過程。很少是由于單純機械因素(如拉、壓、沖擊、疲勞、斷裂和磨損等)或其他物理因素(如熱能、光能等)引起破壞的。腐蝕的危害主要有4個方面:
① 經(jīng)濟和人員損失
凡是使用材料的地方,都存在不同形式和不同程度的腐蝕問題,每年腐蝕所造成的經(jīng)濟損失已超過火災、水災、地震和車禍損失的總和。經(jīng)濟損失包括直接損失和間接損失,直接損失指增加腐蝕裕度或耐蝕合金造成材料費用增加、采用防護技術的費用和發(fā)生腐蝕破壞以后的維修、更換費用和勞務費用等。每年由于腐蝕而報廢的金屬設備和材料相當于金屬年產(chǎn)量的10%~40%,其中2/3可再生,而1/3的金屬材料被腐蝕流失無法回收。間接損失指設備發(fā)生腐蝕破壞造成停工、停產(chǎn);跑、冒、滴、漏造成物料流失;腐蝕使產(chǎn)品污染,質(zhì)量下降,設備效率降低;因腐蝕產(chǎn)物沉積引起的熱傳遞效率降低,或是因腐蝕產(chǎn)物阻塞而產(chǎn)生額外的壓力降,造成裝置能耗和水耗增加等。由于腐蝕意外事故而引起的停工、停產(chǎn)所造成的間接經(jīng)濟損失,可能超過直接經(jīng)濟損失的若干倍。由于歷史原因,我國在20世紀60~70年代制造的承壓設備缺乏質(zhì)量控制,形成嚴重的先天不足,有的存在著大量的超標缺陷,有的結構不合理,有的用材不當。在80年代初期,形成了壓力容器爆炸事故的高峰期。據(jù)1987年的不完全統(tǒng)計,我國此前10年間發(fā)生的壓力容器爆炸事故2254起,停產(chǎn)事故23起,因事故喪生1200人,直接經(jīng)濟損失4~5億元,間接經(jīng)濟損失80~100億元,萬臺壓力容器年均爆炸事故率是世界發(fā)達國家的10倍以上。中國石化集團公司和中國石油天然氣總公司先后4次對石化企業(yè)的壓力容器和管道進行了調(diào)查,中石化所屬企業(yè)1989年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失估計約20億左右。1990年至1995年35個石化企業(yè)容器失效原因,腐蝕失效占80%;Ⅱ、Ⅲ類壓力容器報廢原因中,腐蝕原因占65%;在煉油、化工等企業(yè),腐蝕原因造成的非計劃停車占40%以上,為非計劃停車的主要因素。20世紀80年代和90年代我國壓力容器失效原因見圖1-1、1-2[1],1990年以前的壓力容器,資料不全和材質(zhì)不明占48.29%,設計和制造遺留的先天缺陷(包括結構不合理,錯邊量及棱角度超標,焊縫存在超標缺陷)占30.41%,使用中產(chǎn)生的缺陷占12.96%,因此壓力容器失效主要是因設計和制造缺陷引起的。而90年代后,隨著壓力容器的管理制度的健全和設計、制造水平的提高,壓力容器的使用壽命延長,操作條件越來越苛刻,暴露出的腐蝕的問題也越來越多,因此,腐蝕引起的問題明顯增多,腐蝕導致的設備失效案例也越來越多。近年來,由于設計人員和用戶缺少豐富經(jīng)驗的腐蝕控制工程師,造成設備的設計和制造存在不滿足腐蝕控制要求的情況,用戶的管理和操作者對腐蝕控制的認識不足,也導致了較多的設備腐蝕失效案例。所以,工業(yè)設備的腐蝕已成為影響其工業(yè)裝置長周期運行的主要因素和主要失效模式,對安全生產(chǎn)構成很大威脅。
例1.2005年10月26日,廣東某石化廠焦化廠車間管道由于長期腐蝕失效突然開裂,高溫油氣噴射而出,恰逢巡檢員檢查該處管道,高溫油氣立即使其化為灰燼,慘不忍睹!
例2.2010年7月22日,上午,貴州某化工廠車間工作人員發(fā)現(xiàn)變換工段管道有泄漏現(xiàn)象,隨后組織公司安全檢修人員到現(xiàn)場查看,并制定處理方案,之后不久,變換系統(tǒng)副線管道泄漏氣氣體處突然發(fā)生空間爆炸,造成現(xiàn)場5人死亡、6人受傷,預計經(jīng)濟損失約500萬元。
圖1-1 國內(nèi)壓力容器失效原因示意圖
工業(yè)設備事故往往具有突發(fā)性、災難性,引起爆炸、火災、中毒和環(huán)境污染等,造成災難性的惡果,不但造成重大經(jīng)濟和環(huán)境損失,還常常使人民生命財產(chǎn)受到重大損失。如應力腐蝕等往往造成壓力容器的突發(fā)爆炸事故,造成重大人員和財產(chǎn)損失。2005年3月21日21時20分左右,平陰魯西化工第三化肥廠有限公司發(fā)生尿素合成塔爆炸事故,共造成4人死亡,32人受傷,直接經(jīng)濟損失約780萬元,其主要原因是尿塔發(fā)生了嚴重的應力腐蝕開裂。1979年12月18日14點7分,長春市煤氣公司液化氣站的102號400m3液化石油氣球罐發(fā)生破裂,直接經(jīng)濟損失約627萬元,死36人,重傷50人。
② 對安全和環(huán)境造成危害
腐蝕破裂造成“跑、冒、滴、漏”,既浪費資源、能源和污染環(huán)境,又是發(fā)生火災爆炸事故的重要原因之一。材料在腐蝕介質(zhì)作用下,因腐蝕導致壁厚減薄、開裂及材料組織結構改變使材料力學性能降低,造成設備因承載能力不足而發(fā)生的斷裂,從而引發(fā)安全事故。世界范圍內(nèi)1960年至1990年30年石化行業(yè)發(fā)生的100起損失最大的事故主要引發(fā)原因統(tǒng)計分析結果顯示,由于設備腐蝕和疲勞原因?qū)е碌氖д?1%,排在首位,圖1-2。國外因設備腐蝕造成的生產(chǎn)事故約占全部事故的50%以上。
圖1-2 1960年至1990年30年石化行業(yè)發(fā)生的100起損失最大的事故主要引發(fā)原因
壓力容器盛裝的介質(zhì),常有不同程度的毒性和易燃易爆性,它們的泄漏都會帶來嚴重的后果。而且有些環(huán)境污染還具有長效性,如核電站泄漏的銫、鍶、钚等放射物元素對環(huán)境造成的污染,它們的半衰期分別為3萬年、2.9萬年和2.4萬年,這意味著在長達幾萬年里,這些化學物質(zhì)才能衰減至以前濃度的一半。某煉油廠因事故泄漏的原油滲入地下,20多年后污染了城市自來水。
材料與環(huán)境之間的相互作用,不僅局限于環(huán)境對材料的腐蝕作用,材料腐蝕對環(huán)境所造成的影響也不容忽視。腐蝕對環(huán)境的污染包括兩個方面,一是因采取腐蝕控制措施而使用的涂層、化學藥劑、犧牲陽極和其他材料等對環(huán)境產(chǎn)生的影響,二是因腐蝕泄漏增加了工業(yè)廢水、廢渣的排放置和處理難度,增多了直接進入大氣、土壤、江河湖海中的有害物質(zhì),增加了能源消耗,造成了自然環(huán)境的污染,破壞了生態(tài)平衡,危害了人民健康,妨礙了國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。腐蝕引起的環(huán)境污染問題日益引起人們的關注,西方國家在1990年前已經(jīng)開始關注材料腐蝕產(chǎn)物對環(huán)境(土壤和水系)的污染作用,并進行了系統(tǒng)的觀測和研究,取得了大量的數(shù)據(jù)和研究成果,這些成果不僅對學科建設的發(fā)展起到了極大的促進作用,而且也成為他們制定社會發(fā)展政策的基礎和依據(jù)。
③ 阻礙新技術發(fā)展
腐蝕引發(fā)的事故直接影響科學技術和生產(chǎn)的發(fā)展。一項新技術、新工藝、新產(chǎn)品的實現(xiàn)過程中,往往會遇到腐蝕問題,只有解決了這些棘手的腐蝕問題,這些新技術、新工藝、新產(chǎn)品才得以發(fā)展。比如,美國曾用30年時間研究熔鹽原子能反應堆(1947-1976),但由于裂變產(chǎn)物對材料的腐蝕難以解決而放棄;不銹鋼的發(fā)明和應用,促進了硝酸和合成氨工業(yè)的發(fā)展;高強度耐蝕合金的出現(xiàn),使壓力容器設備大型化成為可能;抗?jié)窳蚧瘹涓g材料和焊接技術的研發(fā),促進了含硫油氣田的開發(fā)和高硫原油煉制技術的發(fā)展;美國的阿波羅登月飛船貯存N2O4的高壓容器曾發(fā)生應力腐蝕破裂,經(jīng)分析研究,加入質(zhì)量分數(shù)為0.6%的NO之后才得以解決,美國著名腐蝕學家方坦納(Fontana)認為,如果找不到這個解決辦法.登月計劃會推遲若干年。
未來的高新技術發(fā)展過程中,還會不斷遇到各種新的腐蝕問題,而且是越來越難以解決的問題,比如化學、能源等領域的壓力容器都有向高溫、高壓方向發(fā)展的趨勢,這樣可獲得更高的生產(chǎn)率,更快的生產(chǎn)速度和更低的生產(chǎn)成本,但高溫高壓卻會造成更加苛刻的腐蝕環(huán)境。隨著全球原油和天然氣的不斷開發(fā),原油品質(zhì)逐漸劣化,含S量越來越高,由此引發(fā)的濕硫化氫應力腐蝕問題越來越嚴重,在很多關鍵的承壓設備上,腐蝕問題一直沒有得到有效的控制,這也嚴重地制約了原油和天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。
④ 促進自然資源的消耗
腐蝕對自然資源是極大的浪費,同時還浪費了大量的人力和能源,增加了碳排放。以金屬材料為例,每年約30%的鋼鐵產(chǎn)品因腐蝕而報廢,其中的1/3變成鐵銹而損耗,同時,防腐蝕施工、維護還消耗了大量的人力資源。上世紀80年代,國內(nèi)年產(chǎn)30萬噸合成氨的中型化肥廠,每年因腐蝕報廢的鋼鐵達1350-2100t,平均每噸氨耗鋼4.5~7kg;我國每年因腐蝕、結垢報廢的換熱器達萬臺左右,僅鋼材就消耗5萬噸以上。我國資源利用率較低,要使我國經(jīng)濟快速增長,需盡快改變目前“高投入、高能耗、高排放、低效率”的粗放型增長方式,這就迫切需要政府各部門、各企業(yè)和全民都來關注腐蝕問題,才能實現(xiàn)開源節(jié)流,促進我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。
二、腐蝕控制的意義
以上可以看出,腐蝕與防護技術已成為社會發(fā)展中保證安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟效益、節(jié)能減排中不可或缺的重要組成部分。腐蝕控制的意義在于:保障安全、保護環(huán)境、節(jié)約資源、改善環(huán)境、創(chuàng)造財富。安全生產(chǎn)、節(jié)能減排和經(jīng)濟因素是當前腐蝕與防護領域中許多研究工作的原動力。鑒于腐蝕問題的嚴重性,國內(nèi)外對防腐蝕工作都很重視,采取各種措施來減輕腐蝕的危害。為了保證油氣管道的長期安全運行,各國政府和企業(yè)都制定有防腐法規(guī),作為設計、施工、管理必須遵循的準則。腐蝕控制的目標是使設備、結構或零部件的腐蝕速度保持在一個可接受的水平。實踐表明,若充分利用現(xiàn)有的防腐蝕技術,廣泛開展防腐蝕教育,實施嚴格的科學管理,因腐蝕而造成的經(jīng)濟損失中有30%~40%是可以避免的。所以說,腐蝕與控制研究具有很大的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟意義。絕大多數(shù)材料的破壞都與其周圍環(huán)境的腐蝕因素有關,腐蝕控制的方法很多,在腐蝕控制上并沒有所謂的“標準答案”,腐蝕環(huán)境對腐蝕機理和腐蝕控制的要求影響很大,不同行業(yè)和產(chǎn)品質(zhì)量對腐蝕控制的要求也不相同,因此,對于腐蝕控制技術的制定,必須明確應用的具體條件,必須在生產(chǎn)安全、社會關注和經(jīng)濟上都進行評估才能獲得最佳的結果,具體的腐蝕控制方案應運用腐蝕經(jīng)濟學方法進行評價確定。中國工業(yè)防腐蝕技術協(xié)會從1985年成立就提出了“全面腐蝕控制(Total Corrosion Control,TCC)”的理論,全面腐蝕控制的核心是將防腐蝕技術和科學管理密切結合起來以達到最大限度的控制腐蝕,保證設備或裝置的長周期連續(xù)安全運轉(zhuǎn)。即必須從設計、制造、儲運安裝、運行操作、維修5個方面進行腐蝕控制,而且要和教育、科研、管理、經(jīng)濟評價4個環(huán)節(jié)緊密結合,從而達到對各種腐蝕的全面控制,才能把防腐蝕工作從消極的、治表的、被動的局面轉(zhuǎn)變?yōu)榈姆e極的治本主動的局面。全面腐蝕控制是一項系統(tǒng)工程,工業(yè)領域的腐蝕雖然大多發(fā)生在設備的使用階段,但是其產(chǎn)生的原因卻孕育于各個階段之中,而解決的措施也可以在各個階段實現(xiàn)。對于一臺設備或一套裝置的腐蝕,不能只注意某種材料與環(huán)境作用產(chǎn)生的后果,要把裝置的腐蝕作為一個整體加以考慮。作為防腐蝕工程技術人員,除掌握先進實用的防腐蝕理論與技術外,還需要宣傳腐蝕的危害性,普及防腐蝕基礎知識,引起有關部門乃至全社會的重視,同心協(xié)力控制腐蝕,使腐蝕損失降到最低程度。比如,對于濕H2S環(huán)境下的設備安全,用戶管理不到位是導致設備早期失效的重要因素。相關的腐蝕控制和容器設計標準已經(jīng)賦予用戶更多的責任,用戶應確定操作條件并指定使用何種材料、應確保所用材料能滿足使用環(huán)境的要求、負責操作現(xiàn)場安裝和設備的運行。而生產(chǎn)商僅負責滿足金屬材料學要求。2009年世界腐蝕組織(World Corrosion Organization, WCO)在世界范圍內(nèi)確立每年的4月24日作為“世界腐蝕日(Worldwide Corrosion Day)”,在腐蝕和防護的研究中,致力于知識的發(fā)展和傳播。其宗旨是喚醒政府、工業(yè)界以及我們每個人認識到腐蝕的存在,認識到每年由于腐蝕引起的經(jīng)濟損失在各國的GDP中平均超過3%;同時向人們指出控制和減緩腐蝕的方法。正確的腐蝕控制,是延長設備的使用壽命,避免事故發(fā)生的重要保證。腐蝕控制通常有2種措施,一是補救性控制,即腐蝕發(fā)生后再消除;二是預防性控制,即事先采取防護措施,避免或減緩腐蝕,盡量減少可能引起的損害。預防性措施包括選材、結構設計、制造和熱處理工藝、具體的防腐技術等。當然,對于一個設計工程師來說,并不要求其同時又是腐蝕工程師,但如果其對腐蝕知識不了解,也絕不可能成為一個合格的設計者。以往的設計者對材料的力學性能十分熟悉,但對材料的耐蝕性能缺乏了解或綜合分析能力,只能按照手冊的相近條件選材,往往導致設備的早期腐蝕失效。所以,了解一些基本的腐蝕和腐蝕控制基本知識是十分必要的。腐蝕控制要從源頭抓起,應以預防為主,避免短期行為,提倡“在使用壽命期內(nèi)總費用的技術/經(jīng)濟綜合分析”的概念,需要認真總結腐蝕控制工作的經(jīng)驗,結合國情吸收國外先進的防護技術和管理經(jīng)驗,促進防腐新材料在我國工業(yè)領域的制造和使用中的推廣應用。不同行業(yè),應根據(jù)自身的情況制訂 腐蝕控制的標準與規(guī)范,使防護工作有章可循,有法可依。全面宣傳和推廣壽命期內(nèi)總費用全分析(Lifetime Cycle Cost)方法、以風險分析為基礎的檢測(Risk based inspection)、防護系統(tǒng)工程學等近代理念和方法來管理腐蝕,推廣綜合防護措施。加強腐蝕控制管理,使腐蝕處于可接受、風險可控的狀態(tài)。充分考慮腐蝕控制方案,就可以避免或減緩腐蝕的發(fā)生,節(jié)省大量的檢維修費用。
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