腐蚀环境中工作的起重机械防腐问题探讨
腐蚀环境中工作的起重机械防腐问题探讨
杨 鹏 孙祥广
（抚顺市特种设备监督检验所）
摘 要：介绍存在腐蚀性介质环境中工作的起重机械受腐蚀的原因及腐蚀机理，提出了起重设备的防腐设计和现役设备防腐控制的方法．
主题词：腐蚀环境 起重机械 防腐蚀 探讨
The discussion of Lifting appliances anti-corrosion working in corrosion environment
YANG PENG SUN XIANG GUANG
（Fushun Supervisor Inspection Institution For Special Type Equipment）
Summary：This paper introduces the reason and mechanism of corrosion of lifting appliances working in corrosive environment. Anticorrosive design and anticorrosion control of lifting appliances in service are presented in the paper.
Key words: Corrosion environment Lifting appliances Anticorrosive Probe into
金属腐蚀是对金属材料的一种“破坏”，由于这种破坏使许多金属材料制造的设备使用
寿命大为缩短，甚至短期报废。英国1971年发表的“贺尔(Hoar)报告”指出[1]，英国每年腐蚀损失约13．6亿英镑，占国民生产总值的3．5％左右。另据美国国家标准局(NBS)的调查报告[1]，1975年一年用于防腐的费用加上腐蚀损失高达700亿美元，占国民生产总值4．2％，美国每年汽车事故损失约300亿美元，火灾损失约110亿美元，洪水损失4．3亿美元，风灾损失7亿美元，地震损失4亿美元，合计仅425．3亿美元，为腐蚀损失的60％，即腐蚀所造成的损失大干车祸与自然灾害的损失总和。据有关部门的统计，我国因腐蚀造成的损失约占国民生产总值的3％左右[2]，如1979年12月18日吉林市400m3的石油液化气贮罐，由于腐蚀引起爆炸起火，死亡32人，伤54人，直接损失690万元,间接捐失数千万元。为此，防止金属材料腐蚀，延长设备使用寿命，对发展国民经济有着极为重要的意义。要想控制腐蚀，就必须知道引起腐蚀的原因和机理，从而找出控制腐蚀的方法。
1、腐蚀的原因和种类
1.1.金属腐蚀的主要原因
金属腐蚀是一种极其广泛的自然现象，国际标准IS08044对腐蚀的定义是： “金属和其所处环境发生物理化学作用，导致金属性能的改变，并使金属功能、环境或制作品的工艺系统遭到破坏。”这个定义指出了金属腐蚀的本质和腐蚀的后果。从各国关于腐蚀的资料可以看出[3。4]，冶金，石油，化工及港口(包括航运)等行业的设备腐蚀损失较为严重，这是因为钢厂，铝厂、化工厂、炼油厂和港口的环境介质中，含有大量的SO2、CO2，H2S、卤化物，硫化物、氢氧化物及盐雾等有害物质，在环境温度和湿度的影响下，金属与有害物质发生物理、化学作用，形成腐蚀。
笔者二十几年来，通过对特种设备的安全检验检测发现，上述行业的起重机械腐蚀最为严重。我市冶金、石油与化工行业共有起重机械1000余台，检测中发现都有不同程度的金属腐蚀，尤其是冶金企业的酸洗车间和电解车间使用的起重机械，工作在高温酸蒸汽中，新安装的起重机使用不到五六年，有的甚至使用一二年就严重腐蚀，使主梁承载能力下降，不得不降载使用，不但影响生产，而且潜伏着不安全隐患，极易导致恶性事故发生。
1.2．腐蚀的种类
冶金、石油、化工、港口和航运等行业，设备的腐蚀主要以高温干燥环境下的化学腐蚀
(金属与腐蚀介质直接发生反应)和潮湿环境下的电化学腐蚀为主。这两大类腐蚀可以细分为： (1)高温氧化腐蚀； (2)剥层腐蚀；(3)点状腐蚀 (4)晶间腐蚀；(5)缝隙腐蚀； (6)焊接应力腐蚀； (7)疲劳腐蚀； (8)振动磨损腐蚀；(9)电偶腐蚀；(10)工业大气腐蚀； (11)海洋大气腐蚀。
在腐蚀介质环境内工作的起重机械，以电偶腐蚀、焊接应力腐蚀、振动磨损腐蚀、缝隙腐蚀、疲劳腐蚀及工业大气腐蚀和海洋大气腐蚀为主，特别是电偶腐蚀最为严重，多种腐蚀最终均导致电偶腐蚀。
2、腐蚀机理
2.1电化学腐蚀机理
金属的电化学腐蚀是指金属表面与离子导电介质发生电化学作用而产生的破坏。任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应至少包含有一个阳极反应和一个阴极反应，并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流联系在一起。阳极反应是金属离子从金属转移到介质中和放出电子的过程，即阳极氧化过程。相对应的阴极反应是介质中氧化剂组分吸收来自阳极的电子
的还原过程。碳钢在酸中腐蚀时，在阳极区Fe被氧化为Fe2+离子，所放出的电子自阳极(Fe)流至钢中的阴极(FeC)上，被H+离子吸收而还原成氢气，其反应式为：
Fe+2H+=Fe+2+H2 （1）
这种电化学腐蚀机理实质上是一个在金属内部形成的短路原电池，即电子回路短接，电流不对外作功，电子自耗于腐蚀电池内阴极的还原反应中。因此促进金属阳极的离子化，即可加剧腐蚀进程。
2．2工业大气腐蚀机理
在冶金，石油、化工和发电等污染型企业密集的重工业城市，空气中含有高浓度的SO2、
CO2、H2S、卤化物、硫化物及盐等挥发物和工业粉尘等污染性物质，这些污染物中的酸性气体在潮湿的条件下会与水化合生成无机酸。金属(本文特指钢材)在这种介质中，会发生一系列连锁反应，导致钢材严重损坏。
钢材在工业大气中的腐蚀是直接化学腐蚀和电化学腐蚀的结合。工业大气腐蚀尤以SO2的腐蚀最为严重，它起到了催化剂的作用。因为SO2可以形成酸雨，一个SO22-可以催化溶解掉100个以上的铁原子。
总之，从化学腐蚀和电化学腐蚀的本质来看，都是金属原子失去电子变成离子的氧化过
程。但化学腐蚀只是金属与周围介质在高温干燥条件下直接进行的化学反应，而电化学腐蚀
则是在潮湿介质中，腐蚀过程形成了腐蚀微电池。
3、起重机械的防腐设计
在腐蚀环境中工作的起重机械，腐蚀破坏是结构材料最重要的破坏形式之一，是起重机械设计中不可忽视的重要因素。因此设计人员不仅要考虑设备构件的功能作用，还必须考虑工作在腐蚀环境下的起重机械防腐措施。
3.1.材料的选用
用来制造起重机械的材料大部分是普通碳素钢，主要是Q235钢，因其价格低廉，供应方便，容易加工，所以被广泛采用。用普通碳素钢制造的起重机在正常环境下使用，由于油漆的隔离作用，腐蚀对其危害不大，但在工业大气污染严重和腐蚀性介质浓度高的环境下使用，因为普通碳素钢的抗腐蚀性能差，易于遭受侵蚀。在冶金企业的酸洗车间、电解车间使用的起重设备，或港口，化工企业使用的起重设备，均不宜选用这种钢材。因为Q235钢材在酸汽、盐雾介质中的腐蚀速度高达0.5～1.0mm／年。虽然进行定期防腐涂漆，但只要漆膜有划伤或局部脱落，就会产生电化学腐蚀，导致使用寿命大大降低。GB6067《起重机械安全规范》第1．10条规定：“……主要受力构件断面腐蚀达厚度的10％时，如不能修复应报废。”笔者在检测钢厂，铝厂、石油化工企业的起重设备时，发现了数十台由于腐蚀而影响使用寿命的起重机。因此可得出结论：在腐蚀性介质中工作的起重机不宜选用Q235钢制造，应选用耐蚀钢。我国目前生产的主要耐腐蚀钢如附表所示[5]。
据美国的试验和实践表明，选择普通低合金钢制造起重机和汽车，可以得到比碳钢高2～3倍的使用寿命。虽然低合金钢单位价格高于碳钢，但总的经济效益比碳钢高。如我国生产的16MnCu合金耐蚀钢就比Q235、Q255钢在海洋大气中的耐蚀性能高40％～80％[6]。
附表 国产耐大气腐蚀钢牌号
如果希望对换用钢种探讨其经济性，可设Oa为原用材料年度损耗(包括年维修费用和生产损失等)，Ob为准备改用材料年度损耗，Ia为原用材料设备成本，Ib为准备改用材料的设备成本，Na为原用材料设备使用寿命，Nb为改用材料后设备的使用寿命。则投资回收率
RDI={[(Oa+Ia/Na)—(Ob+Ib/Nb)]/(Ib-Ia)}×100%
RDI表示每年收益对增加总成本的比率，比值越高，说明选用的材料越经济合理。
3.2．防腐结构和工艺设计
构件的不同几何形状常常会引起机械应力、热应力、液体的停滞、固体颗粒的沉积及表面金属膜的破损等，从而引起局部腐蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀的可能性，因此必须从防腐蚀角度考虑结构设计和工艺设计的合理性：
(1)构件的形状应尽可能简单。
(2)构件尽量选用同一种金属材料，如司机室和主梁应为同种材料。因非同种材料易产生电偶腐蚀。
(3)防止构件表面损坏或有伤痕。
(4)尽量减少缝隙。
(5)选择合适的结构形式和防锈漆，使腐蚀介质与构件完全隔离，特别要注意焊缝的涂漆。合适的涂漆结构形式如图1[6]。
图1. 型钢的涂漆结构形式
图2.型钢摆放形式
(6)防止残余水份滞留，对于桁架式主梁，其型钢应按图2形式摆放。
(7)减少或避免过高的焊接热，避免局部热点。
(8)焊接时应尽量降低内应力和应力集中，以采用连续焊为好(图3b)，间断焊(图3a)易产生内应力。
图3.焊接影响
(9)应避免焊接缺陷。对腐蚀性能影响较大的焊接缺陷有焊瘤、咬边、喷溅及未焊透等，见图4。焊瘤除形成应力集中外，还在焊瘤与母材间形成夹缝；咬边是形成应力集中的根源，它的凹陷边也形成夹缝。这两种缺陷易产生应力腐蚀和缝隙腐蚀。焊接电流过小或焊接速度
过慢易产生焊瘤：焊接电流和焊接速度过大，以及角焊时焊条角度不适当都可能产生咬边。所以，合理的焊接工艺是十分重要的。另外，焊缝未焊透造成的夹缝和孔洞也会引起缝隙腐蚀和小孔腐蚀。
图4.焊接缺陷
(10)为进一步防止缝隙腐蚀，对搭接处夹缝也应进行防腐蚀设计。常见的构件连接形式如图5所示。应尽可能不用铆接结构(图5a)，因铆接节点的夹缝会积液和灰尘，产生缝隙腐蚀。采用焊接方案时，单面搭焊(图5b)会产生缝隙腐蚀和浓差电池腐蚀。双面连续填角焊(图5c)为较佳方案，双面连续对接焊(图5d)为最好方案。可避免缝隙腐蚀。
(a) (b) (c) (d)
图5.搭接处放缝隙腐蚀设计方案
3.3强度计算中应注意防腐问题
受腐蚀环境的影响，设计时应根据特定环境找出合乎实际的设计强度值。一般除满足机械强度和刚度外，还必须留有腐蚀裕量。这裕量一般为设计寿命内均匀腐蚀深度的一倍。
4、起重机械的防腐控制
目前在腐蚀介质环境下工作的起重机械，由于用户在购置设备时大部分没有明确提出防腐问题，所以制造厂也没有按照防腐设计选材和设计，导致设备在使用中产生化学腐蚀和电化学腐蚀，降低了设备的使用寿命。为了控制腐蚀，除了定期进行防腐涂漆外，还应采取下列防腐控制方法： (1)控制环境污染，降低工业大气有害气体浓度和湿度。 (2)根据电化学腐蚀原理，采用牺牲阳极保护法对设备进行阴极保护。
4.1牺牲阳极保护法
电化学腐蚀主要是在金属表面形成了原电池。最常见的原电池是由中心碳棒(正电极、阴极)，外围锌皮(负电极、阳极)及电极间的电解质(NH4Cl)溶液所组成，原电池原理图如图6所示。两级（阳极和阴极）与电解质之间的反应如下：
阳极锌皮上发生氧化反应，使锌离子化：
Zn→Zn2＋＋2e
阴极碳棒上发生消耗电子的还原反应:
2H＋＋2e→H2
电池总反应：Zn＋2H＋→Zn2＋＋H2
伴随着这些反应，电池的锌皮(阳极)不断离子化，并给出电子。锌的离子化的结果就是其腐蚀损坏(牺牲阳极)。
图6. 原电池原理图
设备一旦发生电化学腐蚀，我们可用“以毒攻毒”的方法对设备进行防腐控制。因为电化学腐蚀是按照元素的电动序进行的，当两种不同金属组成原电池时，标准电极电位高的金属为阴极，被保护。比如镀锌钢(白铁皮)就是钢的阴极保护典型例子。利用电位负的金属保护电位正的金属，这种方法称为牺牲阳极保护法。如图7所示：
图7.牺牲阳极保护示意图
锌的标准电极电位比钢负，这两种金属接触时就构成了微电池，在介质中锌被腐蚀，钢得到保护。目前我国常用的牺牲阳极材料有：镁阳极——纯镁、Mg—Mn系合金、Mg—AI—Zn—Mn合金；锌阳极一纯锌、Zn—Al系合金、Zn—Hg系合金、Zn—Al—Mn系合金、Zn—A1—Cd系合金;铝阳极一一Al—Zn—Hg系，A1—Zn—Sn系和A1—Zn—In系合金。各种电极的性能、化学成份及使用场合，参见GB4948～GB4950。
4.2起重机械的防腐控制
对于在强腐蚀性环境下工作的起重机械，除定期进行防腐涂漆外，还可按图8所示进行牺牲阳极保护。牺牲阳极的安装方法是将牺牲阳极焊在主梁，端粱的上(下)盖板上也可以用螺栓固定在盖板的凸缘上。阳极用螺栓固定时，必须注重阳极与金属本体间的绝缘，一般采用橡胶垫，尼龙垫等(见图7)。如果阳极直接焊接在盖板上，必须注意阳极本身与金属本体之间有一定距离，而不能直接接触，此外，牺牲阳极和被保护设备的表面积应有一定比例，通常是被保护金属面积的1％～5％[1]，分布在被保护金属的表面上。大车轨道和轨道接地极的防腐也可用此法。接地极腐蚀后会使接地电阻值增大，危及设备和人身安全，用牺牲阳极保护法可使轨道和轨道接地极受到良好的保护。
目前，各国已广泛应用牺牲阳极保护法对船体、地下管道 、油罐、化工装置、电厂钢结、锅炉及建筑物等进行保护，收到很好效果，但在起重机上使用该方法还没有得到使用单位的广泛重视，本文只是抛砖引玉，供用户试用参考。
参考文献
范树清 金属防锈及其实验方法.北京：机械工业出版社，1989.
中国腐蚀与防护学会.金属防腐蚀手册.上海：上海科学技术出版社，1989.
奥斯特罗夫.腐蚀控制手册.北京：石油工业出版社，1988.
刘宝俊。材料的腐蚀及其控制.北京：北京航天航空大学出版社，1989.
于福州.金属材料的耐腐蚀性.北京：科学出版社，1982.142.
蒋金勋，张佩芬，高满同等.金属腐蚀学.北京：国防工业出版社，1986.
魏宝明.金属腐蚀理论及应用.北京：化学工业出版社，1984.
图8.a
图8.b
图8.桥式起重机牺牲阳极保护法示意图
腐蚀环境中工作的起重机械防腐问题探讨
