化工设备的疲劳腐蚀及防护研究

摘   要：化工设备的疲劳腐蚀增加了设备运行成本与安全隐患，成为行业内亟待解决的难题。文章归纳了化工设备用金属材料疲劳腐蚀的特点与机理，并基于实际的生产要求提出了一系列行之有效的防护建议，以求为化工设备的防护工作提供借鉴思路。

关键词：化工设备;金属材料;疲劳腐蚀;防护措施

化工设备在循环往复的负载作用和所处的腐蚀介质环境下，其中的金属材料往往会受到疲劳腐蚀的侵害。疲劳腐蚀是一种伴随着化学腐蚀现象的疲劳破坏。科学研究和实际生产中都发现，大部分的金属材料，如碳钢、铬镍不锈钢、合金钢，以及多种有色金属及其合金材料，在高应力负载与腐蚀环境下都不可避免地会有形成裂纹甚至断裂的危险。金属材料疲勞腐蚀的速度主要由循环载荷的大小和腐蚀介质的化学性能所决定。在疲劳与腐蚀的双重破坏下，金属材料的抗疲劳性将急剧降低并快速失效。据统计，化工行业至少11%的设备损失都源于金属材料的疲劳腐蚀，尤其是管道、热交换器等处于腐蚀环境下的设备[1]。为此，本文较为详细地分析了疲劳腐蚀的特点与机理，并提出了针对性的解决措施，以期能给化工设备设计者提供借鉴。

1    疲劳腐蚀的特点

由于化工设备在承受循环应力的同时，往往还会受到腐蚀性物质的侵蚀，因而材料的腐蚀特性会有所改变。

（1）金属材料在受到疲劳腐蚀时，随着循环次数的增加，其机械强度呈现单调递减的趋势。即不存在某一循环次数，使得金属材料在该使用环境下不再发生疲劳腐蚀。相比于普通的应力疲劳，腐蚀性环境下的金属材料往往会随着循环次数的增加而出现强度的急剧下降，大大降低其使用寿命。所以在研究金属的疲劳腐蚀时，必须要在一定的载荷循环次数下测试其机械强度。

（2）应力的作用频率对金属的疲劳腐蚀使用寿命也有极大的影响。应力的作用频率降低，材料所能承受的循环次数就会减少。因为在相同的循环次数下，低频率下使用的金属材料会受到更长时间的化学腐蚀，带来更强的腐蚀破坏。但是并非在高循环频率下，材料的寿命会延长。正好相反，材料的使用寿命随着循环频率的增加而逐渐降低[2]。考虑到材料腐蚀的时间依赖性，在考察某种材料的疲劳腐蚀数据时，还需要兼顾使用的测试频率。

（3）金属在疲劳腐蚀时的行为与一般情况下的腐蚀性能会有较大差异。例如：碳钢材料在蒸馏水中同样有疲劳腐蚀现象存在。而对于18%Cr-10%NiMoTi不锈钢来讲，当应力循环达到5×107次时，其在蒸馏水中的机械强度要比在空气中的强度下降30%左右。

2    金属材料的疲劳腐蚀机理

一般可根据材料的腐蚀方式的不同将疲劳腐蚀分为两种，即活性材料的疲劳腐蚀和惰性材料的疲劳腐蚀。活性材料在受到疲劳腐蚀时，其表面受到的侵蚀较为均衡，某些位置由于腐蚀程度重会生成一些裂痕，其深处往往还会形成穿晶微裂纹，多个微裂纹的聚集最终形成了材料的断裂。而惰性腐蚀则不同，金属表面会由于钝化作用而生成致密氧化膜，所以腐蚀的痕迹较少。裂纹通常从金属表面向内部延长，不存在交叉现象，且裂纹处没有被腐蚀的痕迹。对于不耐一般性化学腐蚀的金属，其表面在腐蚀环境下往往会受到严重侵蚀，出现较多细而小的腐蚀痕。外加应力的作用会使这些腐蚀痕内部造成应力集中，发生塑性滑移。根据腐蚀原理可知，塑性滑移会导致该处的腐蚀速度成倍增加，大大加重了金属内部的腐蚀进度。二者的协同作用，造成金属裂纹的快速扩展，直至材料断裂[3]。而耐一般性化学腐蚀的金属材料，会通过钝化作用在表面形成致密氧化膜，来隔绝外部环境的侵蚀。但即使在较小的循环应力下，应力集中点处的钝化膜也容易造成破坏。由此观之，无论哪种金属材料，在应力与腐蚀物质的双重作用下，其腐蚀程度都将显著增加。

3    疲劳腐蚀的防护措施

疲劳腐蚀由于破坏机理较为复杂，因而设备的疲劳腐蚀速率受到多重因素所影响。增强设备抗疲劳腐蚀性能方法的主要出发点有提高材料的耐腐蚀性、减少应力作用强度、降低环境的侵蚀影响等[4]。以下为基于实验研究和实际生产对金属材料的防护提出的改进建议。

（1）腐蚀环境：任何能降低金属腐蚀进度的方法，都一定程度上对提高材料的疲劳腐蚀强度有所帮助。例如：降低介质中的含氟量;在介质中添加防腐剂，降低介质的酸度;利用阴极保护等。事实上，降低介质腐蚀作用的方法通常只对冷水侧有效，但在化工物质侧则较难实现。

（2）结构设计：优化材料的结构设计，已消除运作时的多余应力，减少应力集中带来的疲劳破坏。有效的措施有：将材料缺口设置于低应力区;管道的直径变化处选择平滑连接，并打磨焊缝;优化焊接工艺，减少缺陷;对材料进行热处理已消除热历史等。

（3）优化选材：根据所处的化学环境合理选择金属材料，通常选择钝化作用较强的材料。此外，还需预防金属材料的其它局部腐蚀。

（4）表面处理：通过覆盖非金属涂层、耐腐镀层对提高金属材料的抗疲劳腐蚀性能都有较强的作用。

4    结语

化工设备的抗疲劳腐蚀研究不仅关系到设备的使用寿命和运行成本，更涉及生产安全性，为此还需后续的研究者付出更多的努力。我国的化工行业规模正在逐步扩大，同时也越来越重视高效和安全，相信化工设备的防护工作定将具有广阔的发展前景。

[参考文献]

[1]张磊，孙志伟，李明瑛.化工设备腐蚀与防护研究现状简述[J].化工管理，2016（14）：7-8.

[2]时黛，金鑫，林国庆，等.化工设备腐蚀与防腐管理[J].吉林化工学院学报，2016（7）：26-29.

[3]苏玲雪.浅议现代化工设备的腐蚀问题及其防护技术[J].山东工业技术，2016（8）：21.

[4]燕萌萌.现代化工设备的腐蚀问题及其防护技术[J].中国化工贸易，2017（8）：196.

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