1 腐蝕的危害

腐蝕是設(shè)備與構(gòu)件的重要破壞形式之一，它與斷裂、磨損一起構(gòu)成了材料在使用過程中的三大重要破壞形式，常導(dǎo)致設(shè)備早期失效或意外事故，造成巨大損失。

腐蝕永遠(yuǎn)都是“正在進(jìn)行時”，在熱力學(xué)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。承壓設(shè)備很少是由于單純機(jī)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(jì)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(jì)損失已超過火災(zāi)、水災(zāi)、地震和車禍損失的總和。經(jīng)濟(jì)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(fèi)用增加、采用防護(hù)技術(shù)的費(fèi)用和發(fā)生腐蝕破壞以后的維修、更換費(fèi)用和勞務(wù)費(fèi)用等。每年由于腐蝕而報廢的金屬設(shè)備和材料相當(dāng)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(shè)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(shè)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(jì)損失，可能超過直接經(jīng)濟(jì)損失的若干倍。

由于歷史原因，我國在20世紀(jì)60～70年代制造的承壓設(shè)備缺乏質(zhì)量控制，形成嚴(yán)重的先天不足，有的存在著大量的超標(biāo)缺陷，有的結(jié)構(gòu)不合理，有的用材不當(dāng)。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(jì)損失4～5億元，間接經(jīng)濟(jì)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(dá)國家的10倍以上。中國石化集團(tuán)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(jìn)行了調(diào)查，中石化所屬企業(yè)1989年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(shè)計和制造遺留的先天缺陷（包括結(jié)構(gòu)不合理，錯邊量及棱角度超標(biāo)，焊縫存在超標(biāo)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(shè)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(shè)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(dǎo)致的壓力容器失效案例也越來越多。

近年來，由于設(shè)計人員和用戶缺少豐富經(jīng)驗的腐蝕控制工程師，造成承壓設(shè)備的設(shè)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(rèn)識不足，也導(dǎo)致了較多的承壓設(shè)備腐蝕失效案例。所以，承壓設(shè)備的腐蝕已成為影響其工業(yè)裝置長周期運(yùn)行的主要因素和主要失效模式，對安全生產(chǎn)構(gòu)成很大威脅。

圖1-1  中國壓力容器失效原因示意圖

承壓設(shè)備事故往往具有突發(fā)性、災(zāi)難性，引起爆炸、火災(zāi)、中毒和環(huán)境污染等，造成災(zāi)難性的惡果，不但造成重大經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(jì)損失約780萬元，其主要原因是尿塔發(fā)生了嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂。1979年12月18日14點(diǎn)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(jì)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(fèi)資源、能源和污染環(huán)境，又是發(fā)生火災(zāi)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(dǎo)致壁厚減薄、開裂及材料組織結(jié)構(gòu)改變使材料力學(xué)性能降低，造成設(shè)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(jié)果顯示，由于設(shè)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(shè)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(yán)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(dá)幾萬年里，這些化學(xué)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(xué)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(jìn)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(jì)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(guān)注，西方國家在1990年前已經(jīng)開始關(guān)注材料腐蝕產(chǎn)物對環(huán)境（土壤和水系）的污染作用，并進(jìn)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(xué)科建設(shè)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用，而且也成為他們制定社會發(fā)展政策的基礎(chǔ)和依據(jù)。

③ 阻礙新技術(shù)發(fā)展

腐蝕引發(fā)的事故直接影響科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展。一項新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品的實(shí)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(shù)、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(yīng)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(yīng)用，促進(jìn)了硝酸和合成氨工業(yè)的發(fā)展；高強(qiáng)度耐蝕合金的出現(xiàn)，使壓力容器設(shè)備大型化成為可能；抗?jié)窳蚧瘹涓g材料和焊接技術(shù)的研發(fā)，促進(jìn)了含硫油氣田的開發(fā)和高硫原油煉制技術(shù)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(yīng)力腐蝕破裂，經(jīng)分析研究，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6％的NO之后才得以解決，美國著名腐蝕學(xué)家方坦納(Fontana)認(rèn)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(shù)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(xué)、能源等領(lǐng)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(yīng)力腐蝕問題越來越嚴(yán)重，在很多關(guān)鍵的承壓設(shè)備上，腐蝕問題一直沒有得到有效的控制，這也嚴(yán)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(jì)效益。

④ 促進(jìn)自然資源的消耗

腐蝕對自然資源是極大的浪費(fèi)，同時還浪費(fèi)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(hù)還消耗了大量的人力資源。上世紀(jì)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(dá)1350-2100t，平均每噸氨耗鋼4.5～7kg；我國每年因腐蝕、結(jié)垢報廢的換熱器達(dá)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(jì)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(guān)注腐蝕問題，才能實(shí)現(xiàn)開源節(jié)流，促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2 腐蝕控制的意義

以上可以看出，腐蝕與防護(hù)技術(shù)已成為社會發(fā)展中保證安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)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(hù)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(jì)因素是當(dāng)前腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域中許多研究工作的原動力。

鑒于腐蝕問題的嚴(yán)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(yùn)行，各國政府和企業(yè)都制定有防腐法規(guī)，作為設(shè)計、施工、管理必需遵循的準(zhǔn)則。

腐蝕控制的目標(biāo)是使設(shè)備、結(jié)構(gòu)或零部件的腐蝕速度保持在一個可接受的水平。實(shí)踐表明，若充分利用現(xiàn)有的防腐蝕技術(shù)，廣泛開展防腐蝕教育，實(shí)施嚴(yán)格的科學(xué)管理，因腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)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(shí)意義和經(jīng)濟(jì)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(guān)，腐蝕控制的方法很多，在腐蝕控制上并沒有所謂的“標(biāo)準(zhǔn)答案”，腐蝕環(huán)境對腐蝕機(jī)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(shù)的制定，必須明確應(yīng)用的具體條件，必須在生產(chǎn)安全、社會關(guān)注和經(jīng)濟(jì)上都進(jìn)行評估才能獲得最佳的結(jié)果，具體的腐蝕控制方案應(yīng)運(yùn)用腐蝕經(jīng)濟(jì)學(xué)方法進(jìn)行評價確定。

中國工業(yè)防腐蝕技術(shù)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(shù)和科學(xué)管理密切結(jié)合起來以達(dá)到最大限度的控制腐蝕，保證設(shè)備或裝置的長周期連續(xù)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。即必須從設(shè)計、制造、儲運(yùn)安裝、運(yùn)行操作、維修5個方面進(jìn)行腐蝕控制，而且要和教育、科研、管理、經(jīng)濟(jì)評價4個環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，從而達(dá)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，壓力容器的腐蝕雖然大多發(fā)生在設(shè)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(shí)現(xiàn)。對于一臺設(shè)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(shù)人員，除掌握先進(jìn)實(shí)用的防腐蝕理論與技術(shù)外，還需要宣傳腐蝕的危害性，普及防腐蝕基礎(chǔ)知識，引起有關(guān)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(shè)備安全，用戶管理不到位是導(dǎo)致設(shè)備早期失效的重要因素。相關(guān)的腐蝕控制和容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)賦予用戶更多的責(zé)任，用戶應(yīng)確定操作條件并指定使用何種材料、應(yīng)確保所用材料能滿足使用環(huán)境的要求、負(fù)責(zé)操作現(xiàn)場安裝和設(shè)備的運(yùn)行。而生產(chǎn)商僅負(fù)責(zé)滿足金屬材料學(xué)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(hù)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(rèn)識到腐蝕的存在，認(rèn)識到每年由于腐蝕引起的經(jīng)濟(jì)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(shè)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(bǔ)救性控制，即腐蝕發(fā)生后再消除；二是預(yù)防性控制，即事先采取防護(hù)措施，避免或減緩腐蝕，盡量減少可能引起的損害。預(yù)防性措施包括選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和熱處理工藝、具體的防腐技術(shù)等。后者屬于設(shè)計職責(zé)，如果在壓力容器的設(shè)計階段就充分考慮了腐蝕控制方案，就可以避免或減緩腐蝕的發(fā)生，節(jié)省大量的檢維修費(fèi)用。

當(dāng)然，對于一個設(shè)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(shè)計者。以往的設(shè)計者對材料的力學(xué)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(dǎo)致設(shè)備的早期腐蝕失效。所以，壓力容器設(shè)計者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(yīng)以預(yù)防為主，避免短期行為，提倡“在使用壽命期內(nèi)總費(fèi)用的技術(shù)/經(jīng)濟(jì)綜合分析”的概念，需要認(rèn)真總結(jié)腐蝕控制工作的經(jīng)驗，結(jié)合國情吸收國外先進(jìn)的防護(hù)技術(shù)和管理經(jīng)驗，促進(jìn)腐蝕控制新技術(shù)在我國承壓設(shè)備設(shè)計、制造和使用中的推廣應(yīng)用。不同行業(yè)，應(yīng)根據(jù)自身的情況制訂腐蝕控制的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，使防護(hù)工作有章可循，有法可依。全面宣傳和推廣壽命期內(nèi)總費(fèi)用全分析(Lifetime Cycle Cost)方法、以風(fēng)險分析為基礎(chǔ)的檢測(Risk based inspection)、防護(hù)系統(tǒng)工程學(xué)等近代理念和方法來管理腐蝕，推廣綜合防護(hù)措施。企業(yè)或工程的腐蝕控制工作，要有專門的隊伍從事該項工作。在設(shè)計、制造、施工安裝、操作運(yùn)行的全過程都要加強(qiáng)腐蝕控制管理，使壓力容器的腐蝕處于可接受、風(fēng)險可控的狀態(tài)，使我國腐蝕控制水平盡早進(jìn)入世界先進(jìn)行列。