Analysis and Countermeasures of Corrosion Hazard of Ammonia Chemical Machinery Equipment
朱江安 ZHU Jiang-an
（深圳中质安股份有限公司，深圳 510632）
（CQSTC，Shenzhen 510632，China）
摘要：通过深入分析涉氨化工机械设备、设施、装置腐蚀的机理，分析辨识氨腐蚀危害的各种成因，进一步探究涉氨化工设备防腐蚀危害治理方法和途径，从而提出经济可行的防范对策和措施，为管理者、设计人员提供涉氨设备防腐蚀危害新的综合系统思路和方法，以确保相关化工机械设备安全稳定运行。
Abstract: Through in-depth analysis of the mechanism of corrosion of ammonia-related chemical machinery equipment, facilities and installations, this paper analyzes and identifies the various causes of ammonia corrosion hazards, and further explores the methods and ways to prevent corrosion hazards of ammonia-related chemical equipment, so as to propose economically feasible countermeasures to provide managers and designers with new integrated system ideas and methods for anti-corrosion of ammonia-related equipment to ensure the safe and stable operation of related chemical machinery equipment.
关键词：氨；化工机械；腐蚀；危害
Key words: ammonia；chemical machinery；corrosion；hazard
中图分类号：TQ440.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）27-0010-03
0 引言
近年来由于涉氨企业事故多发、影响巨大，致使其安全备受社会广泛关注，除了氨本身的毒性、火灾爆炸危险性外，腐蚀危害也是威胁涉氨化工机械设备安全的重要因素之一。关于涉氨化工设备防腐蚀研究，国内外专家学者均作较多研究，如张莹光等对液氨储罐局部腐蚀应力场，采用有限元分析方法对其安全性能作出评定；王琼兴等对氨汽提塔内部塔盘腐蚀原因进行分析，并提出防治措施等。这些学者研究成果均对涉氨某一设备元件或点位进行了防腐蚀探究，但是没有从涉氨化工设备、设施总体进行系统全面腐蚀危害分析，为此本研究综合各学者对化工机械设备防腐蚀研究的基础上，重点对涉氨设备腐蚀危害成因进行分析，并提出相应的对策措施和方法。
1 涉氨化工机械设备
涉氨化工机械设备因其生产工艺和装置不同，所涉及的相关设备而不同，下面主要介绍几种典型涉氨工艺设备，如合成氨装置主要涉氨化工机械设备有转化炉、氨合成塔、氨冷器、氨储罐、氨氮压缩机、氨管道和氨泵等；炼油厂污水汽提装置主要涉氨化工机械设备有氨精馏塔、氨水循环系统、结晶器、氨压缩机等；氨制冷装置主要涉氨化工机械设备有储氨罐、循环泵、氨蒸发器、氨油分离器、氨压缩机、冷凝器和氨管道等；电厂脱硝装置主要涉氨化工机械设备有液氨储罐或氨水罐、卸氨氨压缩机、氨蒸发器、氨气缓冲罐、氨稀释罐、氨泵和氨管道等。此外还有氨法脱硫装置、空分装置氨冷系统、氨氮废水处理设备、氨回收设备、氨水制备装置等化工机械设备。
2 腐蚀的分类
以腐蚀材料种类分，材料腐蚀包括金属材料腐蚀和非金属材料腐蚀两种，其中，金属材料腐蚀是指金属材料受到周围介质的化学或电化学作用，引发设备材料生锈、脱落或变形等现象；非金属材料腐蚀是指橡胶、塑料、陶瓷、混泥土、涂料等高分子材料或木材等由于周围环境因素或化学物质作用引起的变质破坏。化工机械设备材质绝大多数都是金属及其合金，金属腐蚀是化工机械设备防腐蚀研究的重点。金属材料常见腐蚀形态有均匀腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀破裂、小孔腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、晶间腐蚀、电偶腐蚀和磨损腐蚀等。
化工机械设备因长期运送各类酸碱等腐蚀性物质，会受到生产作业环境、工作条件和本身材质等方面的影响，从而发生设备腐蚀现象。化工机械设备腐蚀种类因分类标准的不同而不同，根据腐蚀的表面积大小可分为局部腐蚀和全面腐蚀。根据腐蚀的性质或机理可分为物理腐蚀、化学腐蚀、电化学腐蚀和生物腐蚀，其中，物理腐蚀是由材料溶解、渗透等物理作用引起的材料损坏，化学腐蚀是由金属和非电解质（工业气体等）直接发生作用造成的设备或元件的损坏，电化学腐蚀是由金属和电解质进行电化学反应做成的设备损坏，生物腐蚀是由细菌等代谢引起的酸破坏。
3 氨腐蚀机理分析
理想状态下，纯净液态氨仅有微弱的电离作用，因仅有少量电解质产生，发生电化学反应弱，对金属及其合金造成腐蚀损坏很小。
2NH3（液氨）=NH4＋＋NH2－
液氨能溶解活泼金属，通常认为在溶液中生成电子氨合物和金属离子，如与金属Na反应，NH3的氧化性较弱。
Na＋xNH3（液氨）=Na＋＋1/2H2＋NH2－
那么，液氨或氨水中只有混入微量的ＣＯ2或Ｏ2时，才对金属（Cu等）表现出明显的腐蚀现象。
2NH3＋ＣＯ2=NH4ＣＯ2NH2
NH4ＣＯ2NH2=NH3＋＋ＣＯ2NH2-
Ｏ2＋2NH4＋2Cu=2Cu2＋＋2ＯH-＋2NH3
2Cu＋8NH3·H2O＋O2=2[Cu（NH3）4]（OH）2＋6H2O
由此可以看出，液氨腐蚀金属的过程中，氨分子是没有变化的，那么对金属产生腐蚀作用的是氧分子，氨分子仅仅是作为介质使得腐蚀作用产生，致使产生NH4ＣＯ2 NH2对金属表面腐蚀性较强。同时也看出，金属设备表面外露受到氨腐蚀的作用将会大幅度提高。此外，氨与其他化学物质如硫化氢、氯气、二氧化硫和盐类等共同作用下发生化学反应，将会加速对金属设备的腐蚀速度。
4 涉氨化工机械设备腐蚀原因分析
4.1 设备制造材料本身原因：生产中化工机械设备材质多选用金属及合金材料，如选用碳钢、不锈钢、铜等材质，鉴于金属本身性能特征，其防腐能力较弱，尤其碳钢中包含磷、硅、锰等生锈元素，极易被腐蚀。此外，设备材质也是影响腐蚀的重要因素，因受材料质量影响，一定程度上加速了化工机械设备的腐蚀。
4.2 设备设计或选型不当原因：涉氨化工机械设备如果设计考虑不周或选型不当，设备本质安全化水平低下，从而导致设备设施及装置出现缺陷。如果设备内外壁表面、选材和防护等设计不当或不合理问题，将会产生重大腐蚀现象或加速设备腐蚀。
4.3 外界杂质的混入原因：涉氨化工机械设备除了接触氨以外，还会与金属离子、水、氧气、二氧化碳、硫酸盐和微生物等混杂，这些杂质里的离子间发生化学反应或电化学反应，常常会对设备内外壁造成腐蚀。
4.4 介质流速变化原因：设备内氨汽水混合物等的流速将会与金属构件间发生相对运动，过快的流速或者流速来回波动较大，除了产生共振的物理磨损外，还会加速设备内表面的金属腐蚀。
4.5 内外部温度原因：氨对温度的影响非常敏感，尤其液氨，如果温度稍有变化其气化能力立刻加强几十倍。设备内外温度升高会使得相关电解质溶液电阻值下降，加快其扩散能力，特殊状态下还会加速物质的分解速度，增强设备设施的腐蚀性，一定程度上加快了腐蚀。
4.6 工作环境或条件因素原因：化工机械设备运行环境或条件的好坏也会影响其腐蚀程度，如果设备内外部表面长期接受外来硫化物、盐雾、卤化物、粉尘、氢氧化物或蒸汽等的作用，在潮湿环境下，这些物质形成的酸性物质与设备金属及其化合物间容易产生化学反应，对化工机械设备产生腐蚀。
5 涉氨化工机械设备腐蚀危害分析
5.1 腐蚀增加了设备维护成本。由于涉氨化工设备腐蚀，不但企业诊断发现腐蚀点或部位的难度增加，特别是应力腐蚀危害，在发生事故前往往没有任何表象，而且长期或者连续的腐蚀维修和防护给企业带了大量的人力和物力的投入，从而产生高额的维护成本。除此之外，由于氨的挥发性，对其他及设备如排风机、梯子、栏杆等也构成了腐蚀危害。
5.2 腐蚀加速了设备老化速度。合成氨设备、电厂脱硝、炼油厂污水气提和涉氨制冷装置等成本投入非常大，正是由于腐蚀的作用使得设备加速老化，寿命大大降低。据美国第7次腐蚀损失调查统计，其每年直接腐蚀损失是2760亿美元，约占其GDP的3.1%，可见腐蚀所造成的经济损失异常巨大。
5.3 腐蚀引发了安全生产事故。氨的毒性非常强，具有闪电死之称，如果设备因腐蚀造成氨泄漏，没有采取积极的救护，会给人的生命安全带来极大的威胁。此外，因为氨气泄漏造成的火灾爆炸事故也时有发生。有人对石化行业发生的事故进行统计发现，其爆炸事故的70%是设备腐蚀原因造成的。
5.4 腐蚀导致了环境污染事故。涉氨设备由于腐蚀原因造成安全生产事故的同时也会引发环境污染事故，液氨融入水会变成氨水，氨水是一种强碱性物质，会对土壤、水等环境因素造成污染。
6 涉氨化工机械设备防腐蚀对策措施
6.1 涉氨化工机械设备防腐蚀技术措施
6.1.1 对设备机构和工艺防腐设计。依据涉氨化工装置工作条件和运行环境需要，充分虑环境介质的性质、温度及运行压力，对机械设备设施进行防腐设计，可以从根本上起到防腐蚀的作用。在结构上尽量做到简单、平滑，减少腐蚀性物质堆积；在工艺上尽可能避免设计形状复杂，尽量使用同一种材料。
6.1.2 选用合适的机械材料或设备。机械材料的良好选择是从根本上解决了涉氨化工设备防腐蚀的技术问题，材料防腐性可以进行优化组合，根据不同的生产环境条件选择不同材料的设备设施和装置来达到防腐的目的。如为防止应力腐蚀作用，在统筹考虑设备操作压力、残余应力、安全性和经济性情况下，尽可能选用强度较低的钢材；氨制冷设备最好更换为由20g或20R制备的设备；选用耐蚀非金属材料设备等。
6.1.3 采用合理的结构和焊接工艺。在选择涉氨化工机械设备时，要选择结构焊缝少、分散、焊缝对称、焊缝顺序合理的设备，避免因制造焊接时咬边、错边等缺陷不足，确保介质接触表面的平滑。同时做好结构件的后续处理工作，如焊后热处理、制造完成后退火热处理等。
6.1.4 设备金属表面涂层防腐。在化工机械设备金属表面涂防腐层，如涂涂料、喷漆（二甲酸树脂、环氧树脂、聚乙烯醇缩丁醛等）、外包保护层、金属覆盖层等方式，把金属和具有腐蚀性气体、液体等分离以进行防腐，是一种高效低价的防腐措施。采用强度高的玻璃钢、碳钢、铸铁等作结构材料，用耐蚀性能优异材料作衬里层的衬里技术及复合管道衬里技术是现代通用的涉氨化工设备防腐的重要方法和手段。此外，采用电镀方法对化工设备金属防腐的作用效果也较为明显。
6.1.5 采用电化学法防腐保护。为解决涉氨化工机械设备防腐，可以采用电化学原理，通过外加电源产生电流，使金属及合金腐蚀的电位发生改变，在阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应的方式，从而进一步降低腐蚀速率。如阳极保护可用在氨水及铵盐溶液中的碳化塔、氨水储槽等结构物。
6.1.6 随物料在设备中注入缓蚀剂。与防腐剂隔绝作用，缓蚀剂可对金属物质较好地抑制低浓度金属腐蚀。近年来缓蚀剂在防腐蚀方面的应用较为迅速，这种通过适当浓度和形式随物料注入设备中，在金属表面形成保护膜从而显著减缓金属腐蚀速度的做法，更加具有使用经济、方便、高效的优点。
6.2 涉氨化工机械设备防腐蚀管理措施
①将防腐蚀工作纳入日常设备管理中，制定化工设备设施防腐蚀管理制度，主要包括防腐蚀工作责任制、设备定期检查制度、防腐蚀维修保养制度等，并做到严格执行和落实。②制定安全操作规程，建立防腐监督管理体系，在充装、排料及检修等作业中，要采取相应的保护措施，严禁带进任何空气或破坏保护层，尤其要做好受限空间安全作业，防止人员伤亡事故发生。③加强对操作人员防腐蚀培训，提高安全意识，在设备操作前要严格按照规程进行，严禁设备超压、超温、超负荷运行。④将腐蚀性能不高的设备列入重点设备台账，建立涉氨设备防腐蚀使用和维护档案，对其化工机械设备进行动态管理。当发现设备老化时，及时进行报废处理。
7 结论
涉氨化工机械设备的防腐蚀工作是一项长期工程，在各级人员高度重视的基础上，要充分认识涉氨化工机械设备发生腐蚀的成因和机理，结合生产装置工艺特点，采取综合应对策措施，提高防腐蚀能力，减少腐蚀对设备的损害。
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价值工程
，2018，37（34）：221-223. |
