高孙慧 高孙琼

摘 要 为解决石油化工设备在复杂工况下面临的腐蚀失效问题，本文基于“机理—监测—防护”一体化思路，系统分析石油化工设备典型腐蚀类型及其机理，重点探讨均匀腐蚀、电化学腐蚀、局部腐蚀及应力腐蚀开裂的形成条件与特征，研究提出包含材料优选、介质处理、涂层保护及结构设计的综合防护策略，并结合智能监测技术，探索构建全方位的腐蚀防控体系。本研究提出基于数据驱动的腐蚀预测与防护决策方法，以及针对功能性涂层参数优化和多技术融合监测的解决方案，为石油化工设备的长周期安全运行提供了理论参考和技术支持。

关键词 石油化工设备；腐蚀机理；智能防护

Research on Corrosion Mechanisms and Intelligent Protection Technologies for Petrochemical Equipment

GAO Sun-Hui ¹ Gao Sun-Qiong ²

Abstract To address corrosion-induced failures of petrochemical equipment under complex operational conditions, this study adopts an integrated “mechanism-monitoring-protection” framework to systematically analyze typical corrosion types and their underlying mechanisms, with a focus on uniform corrosion, electrochemical corrosion, localized corrosion, and stress corrosion cracking—including their formation conditions and characteristic behaviors. A comprehensive protection strategy encompassing material optimization, medium treatment, coating protection and structural design is proposed. Coupled with intelligent monitoring technologies, a full-cycle corrosion-prevention system is established. The study further presents a data-driven methodology for corrosion prediction and protection decision-making, and delivers workable solutions for functional-coating parameter optimization and multi-technology integrated monitoring. The findings offer theoretical guidance and technical support for long-term and safe operation of petrochemical equipment.

Keywords petrochemical equipment; corrosion mechanism; intelligent protection

在石油化工生产过程中，设备长期暴露于高温、高压和强腐蚀性介质环境中。据统计，腐蚀导致的设备失效占石化行业设备故障的30%以上，每年造成数百亿元的经济损失^[1]。国际上对石化设备腐蚀问题的研究已从传统的材料防护向智能化监测预警方向发展。国际材料保护与性能协会（Association for Materials Protection and Performance，AMPP），前身为美国腐蚀工程师协会（National Association of Corrosion Engineers International，NACE）提出的完整性操作窗口（Integrity Operating Window，IOW）概念，已成为现代资产完整性管理的核心实践之一^[2]。该理念通过定义关键工艺参数的安全操作范围，为主动预防设备腐蚀和控制过程风险提供了系统性思路^[3]。国内学者在腐蚀机理研究和防护技术应用方面也取得了显著进展，但在智能化防腐系统建设方面仍存在提升空间：一是腐蚀机理研究与工程实践结合还需更紧密；二是防护措施应提升系统性和前瞻性；三是监测数据与防护决策之间的共享机制有待完善。对此，本文提出“机理—监测—防护”一体化思路，通过将腐蚀机理模型与实时监测数据深度融合，利用人工智能算法实现腐蚀预测与防护策略的自主优化，以期为石油化工设备的长周期安全运行提供全面解决方案。

1 腐蚀影响因素分析

石油化工设备的腐蚀受到多种因素的耦合作用，其影响机制复杂且高度依赖工况环境。首先，介质成分是关键变量，高浓度Cl^-、H₂S、CO₂等腐蚀性离子在高温高压条件下显著加速金属的电化学反应，尤其在多相流体系中易形成湍流与边界层扰动，诱发局部腐蚀。其次，材料本身的组织结构、显微组织及合金元素配比直接决定其钝化膜稳定性与再生能力。例如，Cr、Mo、Ni等元素在一定比例下有助于提高耐蚀性，而晶界析出物则会引发晶间腐蚀。此外，运行参数如流速、温度梯度、压差波动也是诱因，高剪切速率会增强冲刷腐蚀，温度升高则促使腐蚀反应速率呈指数级增长。工艺切换过程中的间歇运行状态，易形成冷凝液聚集及局部酸性环境，加剧金属溶解反应，从而导致腐蚀速率剧增。因此，全面识别与精确控制腐蚀影响因素是确保设备完整性与运行安全的基础前提。

2 石油化工设备常见腐蚀类型与机理分析

2.1 均匀腐蚀

均匀腐蚀广泛存在于石油化工设备中，如常减压装置中的碳钢塔器和管线。某炼厂常压塔顶碳钢空冷器在含HCl-H₂S-H₂O介质中发生均匀腐蚀，年腐蚀速率达1.5 mm，导致设备提前报废^[4]。这种腐蚀主要由金属与工艺介质中的活性离子发生电化学反应引起，在整个暴露表面形成均匀的腐蚀损耗。其特征为材料表面整体、均匀地发生质量损失，不存在明显的局部侵蚀区域。该类型腐蚀主要由金属与工艺介质中的活性离子或分子之间的化学或电化学反应引发，表现为腐蚀产物在整个暴露表面均匀沉积，腐蚀速率可通过失重法进行定量评价。在高温高湿、含酸性气体如CO₂或H₂S的介质环境中，金属表面的氧化膜难以维持稳定结构，易发生脱附、破裂等行为，导致活性金属持续裸露于腐蚀介质中，形成连续反应过程。工艺系统中温度、压力的提升会显著增强腐蚀反应速率，且在含氧体系中阳极溶解反应与阴极还原反应共同作用，使整个金属表面电子迁移持续进行。此外，金属表面的粗糙度、氧扩散速率及膜层厚度的微小差异均会影响腐蚀行为的空间一致性。

2.2 电化学腐蚀

电化学腐蚀是石油化工设备中最具破坏性的腐蚀形态。在某石化厂加氢裂化装置中，由于异种金属连接（碳钢与不锈钢）形成的电偶电池，导致碳钢管道在6个月内出现了穿孔泄漏的问题^[5]。这种腐蚀以电极电位差为驱动因素，在导电介质中形成局部腐蚀电池，加速金属溶解过程。其本质是由于金属在导电介质中形成微小原电池结构，在阳极区发生金属溶解反应，在阴极区发生还原反应，从而引发电子迁移与局部腐蚀加速。该腐蚀类型以电极电位差为驱动因素，常见于设备存在异质金属接触、表面膜层分布不均或局部氧浓差的情况下。在酸性条件下，如设备内部存在H₂S、Cl^-等离子，阴极反应通常表现为氢离子还原生成氢气，而阳极则持续发生金属氧化反应，导致阳极区金属逐步溶解。尤其在介质电导率较高的系统中，腐蚀速率呈现快速上升趋势，腐蚀电流密度成为评价腐蚀强度的重要指标。此外，表面活性点的电化学反应活性差异会引起局部腐蚀电池形成，如微裂纹、氧化膜缺陷或金属夹杂物区域常作为阳极启动点，引发加速蚀坑生成。由于该过程受到介质成分、电极间距、温度与压力的多重控制，故其腐蚀形貌具有不规则性与不稳定性，对设备可靠性构成极大挑战。

2.3 局部腐蚀

局部腐蚀是在石油化工设备中广泛存在的一类高危腐蚀形式，主要表现为特定区域发生集中性金属损伤，而相邻表面保持基本完整，导致应力集中与结构削弱。该类型腐蚀包括点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀等亚型，其形成机理通常与微环境变化、氧浓差、电位梯度及腐蚀产物堆积有关。在含Cl^-离子的中性或弱酸性介质中，不锈钢、铜合金等材料易于在被动膜破损处形成阳极区域，周围为较为稳定的阴极区域，形成极小电池，诱发蚀坑快速扩展。缝隙腐蚀常发生于设备紧固件、垫片界面等微小间隙中，缝隙内氧气扩散受限，形成还原环境，加之腐蚀产物富集，导致pH显著下降，腐蚀过程加剧。流动边界扰动与死角结构使得局部流体更新缓慢，进一步促进局部电化学条件恶化。在腐蚀初期，金属表面仅表现为细微的失光或斑点，后期则快速向纵深方向扩展，严重时形成穿孔或裂纹。局部腐蚀具有隐蔽性强、破坏性大的特点，其早期识别与机制解析对于设备安全管理至关重要。

2.3.1 点蚀

点蚀常见于不锈钢设备，如某芳烃装置不锈钢再沸器管束在Cl^-离子作用下产生点蚀，最深蚀坑达2.1 mm/年^[6]。点蚀通常起源于表面缺陷或夹杂物处，形成小而深的蚀坑。

2.3.2 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀发生在设备紧固件、垫片界面等区域。某炼厂法兰连接处因缝隙腐蚀导致泄漏，停工维修损失达数百万元^[7]。缝隙内氧浓度差异形成浓差电池，加速局部腐蚀。

2.3.3 晶间腐蚀

晶间腐蚀通常发生在不锈钢或奥氏体合金焊接接头处。某乙烯装置不锈钢换热器焊接后未进行固溶处理，使用一年后沿焊缝发生晶间腐蚀开裂^[8]。

2.4 应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）是石油化工设备最危险的失效形式。SCC需要在特定腐蚀介质、拉应力和敏感材料三者共同作用下发生，其广泛存在于高温高压富硫环境中，典型机理为阳极溶解机制或氢致裂纹机制。残余应力或操作应力在微观裂纹尖端集中，与腐蚀介质共同作用诱发裂纹尖端持续扩展，通常不伴随明显塑性变形，断口表现为沿晶或穿晶特征。该腐蚀类型不仅与材料成分密切相关，还受到加载方式、温度波动和介质pH的强烈影响，是石油化工设备失效事故的主要诱因之一。而某炼厂催化裂化装置不锈钢再生器就因Cl^-应力腐蚀开裂，导致非计划停工45天^[9]。

3 石油化工设备腐蚀防护措施

3.1 材料选型与优化

在石油化工设备防腐体系中，材料的科学选型与性能优化是抑制腐蚀行为的首要环节。不同金属及合金对各类腐蚀介质的抗性具有显著差异，因此需依据具体工况参数如温度、压力、介质成分等进行系统匹配。例如，在处理含H₂S和CO₂的高压气体环境中，采用Ni含量超过30%、Mo含量不低于2.5%的Inconel 625合金可有效抵御硫化物应力腐蚀开裂和氯离子点蚀，其临界点蚀温度（Critical Pitting Temperature，CPT）可达80℃以上。在高浓度Cl^-环境中，双相不锈钢（如UNS S32205）因其含有22% Cr、5% Ni和3% Mo的相结构组合，在耐点蚀指数（Pitting Resistance Equivalent Number，PREN）方面优于普通奥氏体钢，适用于换热器与管道系统。材料表面状态对腐蚀行为也具有调节效应，采用等离子体喷涂、渗铬层处理或气相沉积技术可在基体表面形成致密钝化层，提升界面稳定性并降低阳极反应活性。材料选型需根据具体工况条件进行优化设计。对于加氢处理装置反应器出口管线，选用UNS S31805双相不锈钢（PREN≥35）可有效抵抗Cl^-引起的点蚀和SCC^[10]。然而，高合金材料成本较高，且焊接工艺要求严格，需要综合考虑经济性和可靠性。同时，避免因局部热影响区组织改变引发晶间腐蚀或应力集中，故材料工程的系统性设计是腐蚀防护的基础性环节，对设备全寿命周期的可靠性具有决定性意义。

3.2 腐蚀介质控制技术

腐蚀介质的性质直接决定金属失效速率，因此在石油化工生产系统中，通过介质控制实现环境条件优化是关键防护策略之一。气相介质中常见的腐蚀性组分包括H₂S、CO₂、O₂及Cl^-，其在水相存在条件下形成弱酸环境或金属络合腐蚀产物，显著提高了腐蚀速率。以CO₂为例，其在含水环境中与H₂O反应生成碳酸，从而降低pH至4.0以下，钢材腐蚀速率可达2.5 mm/a以上。针对该问题，工业中常采用气体脱除法（如化学吸收法与膜分离法）将H₂S和CO₂含量控制在50 ppm以下，以抑制酸性腐蚀反应。同时，在液体介质系统中添加缓蚀剂是一项有效手段，常见配方包括胺类、咪唑啉类及膦酸盐类，其通过吸附于金属表面形成疏水膜层，降低金属与腐蚀介质的接触概率。缓蚀剂用量需经现场腐蚀速率监测与极化曲线试验确定，通常控制在质量分数0.05%～0.15%之间，以平衡经济性与抑制效果。此外，介质流速控制也可减少湍流与冲刷腐蚀，典型应用中将流程速度控制在1.5～2.0 m/s以下以避免钝化膜破坏。由此可见，介质控制是成本效益较高的防护方法。某炼厂通过注入胺类缓蚀剂，将常顶空冷器碳钢腐蚀速率从0.8 mm/a降至0.1 mm/a以下^[11]。但缓蚀剂可能影响下游工艺，且需要持续监测其有效性。因此，通过介质成分、pH、浓度及流动状态的多维度调控，可显著减缓腐蚀过程，提高设备服役稳定性。

3.3 涂层防护技术

涂层防护技术通过在金属基体表面施加屏障层以隔绝腐蚀介质，是石油化工设备中应用最广泛的腐蚀防控手段之一。不同工况下应选用具备特定耐化学性、耐热性及附着力的功能涂层材料。例如，在处理高温高压酸性气体（H₂S、CO₂）系统中，使用改性环氧树脂涂层可在120℃以下长期稳定运行，其抗渗透性强，水蒸气透过率低于1.5×10^-3g/（m²·d）。对于强酸、强碱及含Cl^-离子的环境，聚脲、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）等高分子涂层因其分子结构中存在高极性键及疏水官能团，可提供优异的化学惰性，涂膜厚度一般控制在250～500 μm以实现高阻隔性。在喷涂工艺方面，热喷涂金属涂层（如Al、Zn或合金）常用于外部暴露结构，其牺牲阳极作用可提供阴极保护，结合封孔处理可提升耐蚀年限超过15年。此外，涂层前表面预处理至Sa2.5级别以上可确保粗糙度达40～70 μm，显著提高附着强度。涂层完整性、厚度均匀性及微孔率是决定防护效果的关键控制参数，需通过高压电火花检测与超声厚度仪进行质量验收。通过精确匹配涂层体系与介质环境，可显著提升设备的服役安全性与经济运行周期。涂层防护广泛应用于储罐、管道等设备。某石化厂采用聚脲涂层防护原油储罐底板，使用寿命达10年以上^[12]。但涂层在高温或机械损伤条件下易失效，需要定期检测和维护。

3.4 工艺设计优化与设备结构改进

合理的工艺流程设计与设备结构优化对腐蚀防控具有源头治理作用，尤其在复杂介质耦合、多相流动及周期性运行等腐蚀高风险场景中更显关键。在结构设计方面，避免缝隙、死角、焊缝重叠区域的出现是防止局部腐蚀的基本原则。例如，换热器管束采用U型管设计可减少应力集中与沉积物滞留，其结构应确保最小流速不低于1.2 m/s以减缓沉积和冲刷腐蚀的复合作用。储罐与反应釜底部应设有倾斜角≥3°的排液坡度，防止冷凝液积聚形成酸性局部环境，从而降低点蚀风险。在工艺设计中，应优先采用闭式循环系统以控制氧含量并稳定介质pH，典型系统pH应保持在6.5～8.0之间以限制碳钢腐蚀速率在0.1 mm/a以下。同时，通过合理设置冷却段和加热段，避免热冲击引发热应力腐蚀开裂，热交换器壳程与管程温差应控制在40℃以内以确保结构完整性。此外，合理布置检测孔位与清洗口，便于实施在线监测与周期性清洗，是提高设备维护效率与防腐管理响应速度的重要措施。工艺参数动态调节能力与结构自清洁能力的结合，是现代石油化工装备实现长周期稳定运行与低腐蚀率控制的重要方向。通过改进设备结构可有效预防腐蚀。某PTA装置通过改进结晶器内部结构，消除了滞留区域，使设备寿命提高3倍^[13]。但这种改进通常需要在设计阶段实施，现有设备改造难度较大。

4 腐蚀监测与检测技术

4.1 在线监测技术

在线腐蚀监测技术可实时获取设备腐蚀数据，可实现腐蚀行为的动态评估与趋势预判。常用方法包括电阻探针法（Electrical Resistance Method，ER）、线性极化法（Linear Polarization Resistance Method，LPR）和电化学噪声分析（Electrochemical Noise Analysis，EN）。其中，ER技术通过测量探针金属截面面积随时间的变化率判断腐蚀速率，精度可达±0.01 mm/a，适用于连续运行系统中的腐蚀趋势监控，ER探针适用于各种介质环境，但响应速度较慢；LPR技术基于瞬时极化电流与电极电位微扰动的响应关系，能够快速获得腐蚀电流密度，其在中性水体系中的检测灵敏度达到0.1 μA/cm²级别，LPR技术响应快速，但需要电解液环境；EN技术则通过分析电流、电位的自发波动信号识别局部腐蚀类型，特别适用于点蚀或缝隙腐蚀的早期识别，EN技术对局部腐蚀敏感，但数据分析复杂^[14]。系统数据通过数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）平台集成，可设定报警阈值，实现腐蚀速率超过0.3 mm/a时自动触发预警。在线监测具有响应快、数据连续性强等优势，是提升设备运行透明度与预防失效的重要手段。实际应用中需根据具体工况选择合适的技术，并注意温度、压力对监测精度的影响。

4.2 无损检测技术

无损检测技术（Nondestructive Testing，NDT）在腐蚀评估中具备非破坏性、精度高、适用面广等优势，可用于识别早期缺陷与腐蚀减薄位置。超声波检测（Ultrasonic Testing，UT）广泛应用于厚度测量，精度可达±0.05 mm，但对检测人员技能要求高，适用于在线或离线腐蚀减薄评估。射线检测（Radiographic Testing，RT）利用γ射线或X射线穿透金属材料，检测腐蚀引起的密度差异，适合焊缝腐蚀、夹杂及孔蚀成像，空间分辨率可达0.1 mm，适合检测内部缺陷，但存在辐射安全风险。磁粉检测（Magnetic Particle Testing，MT）和渗透检测（Liquid Penetrant Testing，PT）主要用于表面或近表面裂纹的识别，适合应力腐蚀开裂区域评估。在腐蚀坑成形初期，声发射技术（Acoustic Emission，AE）可实时监测活性缺陷，但易受环境噪声干扰^[15]，灵敏度高于传统厚度检测手段。建议采用多种技术组合应用，以提高检测可靠性。NDT技术通常配合定期检修周期实施，是设备完整性评估与剩余寿命预测不可或缺的技术工具。

5 结语与展望

石油化工设备腐蚀控制是一个系统工程，需要从机理研究、防护技术和监测预警等多个层面进行综合考虑。因此，本文针对设备腐蚀管理提出了“机理—监测—防护”一体化思路。未来研究可重点关注以下方向：（1）开发多参数融合的智能腐蚀监测系统，实现腐蚀状态的实时评估和预测；（2）研究新型耐蚀材料和功能涂层，提高设备本质安全水平；（3）建立基于大数据和人工智能的腐蚀预测模型，实现防护策略的优化决策；（4）开发在线修复和智能维护技术，减少非计划停工损失。通过技术创新和系统优化，构建智能化的腐蚀防控体系，将为石油化工装置的长周期安全运行提供有力保障。

参考文献

[1] 赵倩茹. 石油化工静设备应力腐蚀开裂成因与防护措施[J]. 中国设备工程, 2024, (17): 182-184.

[2] American Petroleum Institute. API Recommended Practice 970, Corrosion Control Documents (CCD)[S]. Washington, D.C.: API Publishing Services, 2020.

[3] Smith J. Integration of Real-Time Corrosion Monitoring with Integrity Operating Windows for Predictive Asset Management[J]. Corrosion 2022, 78(5): 420-431.

[4] 冯聪聪. 炼油设备腐蚀因素与防护措施研究[J]. 设备管理与维修, 2023(20): 193-195.

[5] American Petroleum Institute. API Recommended Practice 571, Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry[S]. Washington, D.C., 2020.

[6] 李博文, 王斯旋. 石油化工静设备泄漏原因与控制对策[J]. 中国设备工程, 2022(23): 161-163.

[7] Revie R. W. Uhlig’s Corrosion Handbook[M]. Hoboken: John Wiley & Sons, 2019.

[8] 钟锋. 石油化工静设备应力腐蚀开裂成因与防护[J]. 化工管理, 2022, (23): 142-144.

[9] Elshawesh F. Corrosion and Its Control: A Comprehensive Guide[M]. Cambridge: Woodhead Publishing, 2018.

[10] 黄福仪, 梁庆辉. 石油化工静设备的应力腐蚀开裂与防护[J]. 化工设计通讯, 2019, 45(3): 80.

[11] 赵玮. 石油化工设备腐蚀的防护与监测[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2021, 41(21): 48-49.

[12] Roberge P. R. Handbook of Corrosion Engineering[M]. New York: McGraw-Hill, 2012: 320-325.

[13] AMPP. Corrosion Prevention and Control: A Program Management Guide for Selecting Materials[M]. Houston: AMPP, 2020: 155-160.

[14] Javaherdashti R. Corrosion and Materials in the Oil and Gas Industries[M]. Boca Raton: CRC Press, 2016: 210-215.

[15] ASM International. ASM Handbook, Volume 13C: Corrosion: Environments and Industries[M]. Materials Park: ASM International, 2015: 1020-1025.

第一作者：高孙慧（1990—），女，汉族，海南东方人，本科，工程师，高级信息系统项目管理师，主要从事石油化工、矿产品检测工作，E-mail: 272995193@qq.com

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