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中國工業與自然環境腐蝕調查

 

 

摘 要:利用Uhlig方法和Hoar方法調查了近年來中國工業和自然環境腐蝕損失和腐蝕控制的現狀,其中包括能源、交通、建筑、機械、化工、基礎設施、水利和軍事設施等典型的行業和企業。用兩種方法所得到的年腐蝕損失結果相近,分別為2048億元和2288億元人民幣。如果包括間接損失,借鑒國外利用國民經濟投入-產出表的計算結果進行對比,我國每年腐蝕總損失可達4979億元以上,約占GHP的5%。為了降低腐蝕損失,應如同對待醫學和環保一樣重視防腐蝕問題,從國家的層面上加強腐蝕管理,進一步制定防腐蝕的國家規劃和立法;提出了完善防腐蝕的標準和規范體系以及加強基礎研究和腐蝕工程教育的建議

關鍵詞:腐蝕損失 腐蝕調查 Uhlig方法 Hoar方法

前 言

腐蝕問題遍及所有行業。由于腐蝕和為了預防與減輕腐蝕的危害,不得不付出相當沉重的代價,這種代價在國際上稱為Cost of corrosion,在中國通稱為腐蝕損失。腐蝕造成的經濟損失可分為直接損失和間接損失。直接損失包括:更換設備和構件費、修理費和防蝕費等;間接損失包括:停產損失、事故賠償、腐蝕泄漏引起產品的流失、腐蝕產物積累或腐蝕破損引起的效能降低以及腐蝕產物導致成品質量下降等所造成的損失。間接損失遠較直接損失為大,且難以估計。以化工流程設備腐蝕導致停產的腐蝕損失為例:30萬噸合成氨生產裝置停產1天經濟損失60萬元;儀征化纖廠35萬噸對苯二甲酸(PTA)生產裝置停產1天損失140萬元;30萬噸乙烯生產裝置停產1天損失750萬元。中原油田1993年管線與容器腐蝕穿孔8345次,更換油管590公里,直接經濟損失7000多萬元,而產品流失、停產、效率下降、環境污染等的間接損失可達2億多元。

經濟發達國家歷來都很重視腐蝕調查工作,90年代末期美、英、日等國都又一次(第一次是70年代)開展了較大規模的腐蝕損失調查。

70年代末在國家科委支持下我國曾對腐蝕較嚴重的若干行業進行過調查,并采取了一系列措施加強腐蝕控制,取得了明顯的社會經濟效益。近20年來,隨著改革開放,科技進步,我國國民經濟生產總值急劇增長,經濟結構和管理模式都發生了很大變化,各個行業的腐蝕狀況與過去有了明顯的不同。二十一世紀,我國現代化建設進入新的階段,西部大開發戰略組織實施,特大型跨世紀建設工程一個個上馬,大規;A設施建設掀起了新的高潮。腐蝕控制工作的優劣更加直接關系到國家建設的百年大計。

為此,1999年4月中國工程院化工、冶金與材料學部常委擴大會議,決定啟動“中國工業與自然環境腐蝕問題調查與對策”咨詢項目。任務是:搞清我國腐蝕狀況,盡可能對經濟損失做出較準確的估算,對存在的主要腐蝕問題及采取的防護措施提出中肯的和可行的建議。

本項目依托中國腐蝕與防護學會、掛靠原中國科學院金屬腐蝕與防護研究所9現金屬研究所具體組織實施。在實施過程中邀請了能源、交通、建筑、機械、化工、基礎設施、水利和軍事設施與裝備等8個重點行業部門的30多位腐蝕專家組成調查組,采用典型調查和普遍性統計相結合的方法,選擇腐蝕問題比較普遍或嚴重、有典型性和代表性、專業人員基礎好和可用資料較為完整的企業(或行業)作為重點,向他們分發調查問卷、組織座談和專題討論,統一匯總。為了避免工作重復,也盡可能收集和利用已發表的部分行業的調查統計資料和文獻,進行比較和分析。本次調查歷時三年,于2001年底基本完成。雖然調查結果還不夠完整,但全部資料來自基層,結論較為可靠。本次調查中除自然環境腐蝕狀況外包括了下述工業環境腐蝕的典型腐蝕調查報告:

  • 石油天然氣開采與儲運腐蝕調查

  • 石油煉化裝置腐蝕調查

  • 中國海洋石油工業腐蝕調查分析

  • 電力系統的腐蝕與對策

  • 大亞灣核電站腐蝕調查

  • 鐵道行業腐蝕狀況調查

  • 我國汽車腐蝕損失估算

  • 重慶市公交車輛腐蝕調查報告

  • 公路、橋梁、港口碼頭、建筑等基礎設施腐蝕調查

  • 廣播電視鋼塔桅的自然環境腐蝕調查與對策

  • 水利樞紐金屬結構腐蝕初步調查

  • 中國化工與石油化工腐蝕問題調查與對策

  • 瀘州天然氣化學工業(集團)公司腐蝕調查

  • 儀征化纖股份有限公司化工廠腐蝕調查

  • 上海地區制藥企業腐蝕調查

  • 化工系統防腐蝕工作調查研究成果匯編

  • 機械工業腐蝕調查

  • 軍事裝備腐蝕

我們相信這些調查材料的發表對喚起公眾的防腐蝕意識,對國家經濟建設、國防建設和腐蝕學科的發展都會有重要的價值。

二次世界大戰后大規模的基礎設施建設和金屬資源消耗逐漸引起世界上工業先進國家對腐蝕的關注。70年代前后就有美國、英國、日本、西德、前蘇聯、捷克、波蘭、印度等許多國家進行了較為系統的腐蝕調查。

從國外腐蝕調查情況來看,至今還沒有確定的統一方法,目前采用的有 Uhlig 法,即從生產制造方面推算防蝕費用;Hoar法,即由各使用領域的腐蝕損失和防蝕費的總和進行推算;此外還有 Battelle 方法,即根據企業生產關聯表,用投入/產出矩陣方法進行統計。

1 Uhlig 方法

Uhlig方法是從生產,制造方面單純地累加直接防蝕費用進行評估。例如,算出利用各類防腐蝕措施,包括涂層與涂裝、鍍層與轉化膜表面處理、耐蝕材料、防銹油、緩蝕劑、電化學保護、腐蝕研究、腐蝕檢測等所需費用。

2 Hoar方法

Hoar方法是按各使用領域的腐蝕損失和防蝕費的總和進行推算。由于使用領域涉及到許多方面,而且同一使用領域的使用地點分散在全國各地,調查相當困難,于是采用函調的方法,并進行有針對性的訪問,在得到可靠的數據后利用統計方法推算。

3 Battelle 方法

Battelle方法是根據企業生產關聯表,用投入/產出矩陣方法進行統計,他們從概念上把腐蝕世界分成三類:

世界Ⅰ(現實的有腐蝕的世界)

世界Ⅱ(不存在腐蝕的假想世界)

世界Ⅲ(腐蝕被理想控制的世界)

定義,世界Ⅱ-世界Ⅰ=腐蝕損失

世界Ⅲ-世界Ⅰ=可避免的腐蝕損失

算出各部門 3 類腐蝕世界的費用,而后推算腐蝕損失。

1969年英國T.P.Hoar在英國貿易和工業部(Department of Trade and Industry)支持下,進行了英國的腐蝕調查,這就是知名的Hoar報告。

1975年美國由議會建議進行腐蝕損失調查,由美國標準局和巴特爾研究所共同進行調查。NBS-Battele成果于1978年公布, 該調查結果推算美國年腐蝕損失為825億美元,相當于GNP的4.9%。

與此同時,在日本也積極開展腐蝕調查,由腐蝕防蝕協會和日本防銹技術協會共同組成了腐蝕損失調查委員會,用Uhlig方法(即從制造和生產方面推算)和Hoar方法(從各個使用領域推算)評估了日本的腐蝕損失,其該調查結果在1976年以“我國腐蝕調查報告書”為題發表。雖然日本的腐蝕損失調查僅推算了直接損失,但也達到GNP的1.8%巨大數額。

70年代這次調查的確對民眾腐蝕防蝕知識的啟蒙,腐蝕科學的發展和推動腐蝕防護技術的進步都起了重要作用。

由這些調查普遍達到一種共識:國民經濟為腐蝕和防治腐蝕付出了巨大的代價,其數值可占各國GNP的1~5%,其中的1/4可通過現有的腐蝕知識和腐蝕控制技術予以避免。

20多年以后,各國的經濟狀況和相應的產業結構都發生顯著變化。從地球資源和環保關系來看,腐蝕控制和管理越來越重要。此外,人們逐漸學會利用系統工程的觀點和方法來看待世界, 進行技術經濟綜合分析。例如利用設備使用壽命期內總費用的全分析(Lifetime Cycle Cost)方法和以風險分析為基礎的檢測(Risk based inspection)概念處理腐蝕問題。這些因素使人們感到有必要再次進行腐蝕損失調查。

日本腐蝕防蝕協會受到超級鋼計劃STX-2I的鼓勵,用Uhlig和Hoar兩種方法評估了1997/1998年直接腐蝕損失,并試用國民經濟輸入/產出表方法進行分析。這次調查包括6個部門:能源、運輸、化學、金屬、機械、建設工業。結果表明,用Uhlig和Hoar兩種方法估算的1997/1998年直接腐蝕損失為39,380億日元和52,580億日元。若同時考慮間接損失,即用輸入/產出分析法,則整個腐蝕損失要比Uhlig方法算的高2倍多。

英國在工業貿易部支持下,由涂料研究協會和材料科學會聯合組成了調查委員會,開展了題為“腐蝕損失,風險評估和減少腐蝕損失的研究”的工作,重點調查化工/石油、食品和飲料工業、海洋結構物、鋼結構和汽車工業。在每一部門要調查腐蝕損失;采用壽命周期成本法(LCC)和檢測風險分析(risk based inspection 簡稱RBI)減少腐蝕損失的程度;發生與腐蝕有關的重大事故,處理這些事故所采用的方法和所達到的效果。預計2000年9月完成,但至今未見調查報告。

美國Battelle Columbus Lab以產業關連表(Input-Output Matrix)為基準進行計算,1975年的損失是820億美元(占GNP的4.9%),其中可避免的是330億美元。NBS(現為NIST)重新研討了這個報告 ,向議會報告為年損失700億美元,能避免的是100億美元。1996年Battelle重新計算了相隔20年后的腐蝕損失 ,算出的損失值為3000億美元,可避免的損失為1000億美元?杀苊鈸p失比例所以降低是由于從設計到維修過程中普及了耐蝕材料和適宜的防蝕方法。20年來美國的GNP約增長了4倍 ,腐蝕研究和防蝕技術的進步使整體損失由占GNP4.9%減少到4.2%。為了進一步查明這些結果 ,有必要對各領域進行詳細分析,并依據上次結果進行正式調查。1999年,議會認定了正式的調查 ,以NACE為主體,成立腐蝕損失調查委員會。1999年議會委托撥款100萬美元。要在2年內由CC Technologies Laboratories和NACE International執行一個評估美國金屬腐蝕的計劃。其目的是要提供一個在經濟上有效,能減少腐蝕損失的策略 ,以減少腐蝕對公共安全、環境和經濟的影響。該項研究主要針對美國經濟有重要影響的36個部門 ,如橋梁、地下管線、機場、汽車、飛機、水、衛生系統和電力等部門,采用經濟效益和風險分析方法 ,評估防蝕戰略的經濟效益。最終報告預計在2001年4月完成,現已公布了部分調查結果(材料性能雜志 ,Materials Performance)報導了這次調查。最近在Federal Highway Administration 支持下 CC Technology的調查提出的報告指出,美國各種腐蝕控制措施和服務花費的總和為450億美元 ,其中涂料占350億,進而估算若干關鍵性的企業,然后再外推出總損失。所研究的領域包括:高速公路、橋梁、苛刻介質的儲運、機場、水道和港口、機動車輛、管線、鐵路和車輛、船舶、油氣裝備、造紙業、煉油、化工和制藥以及國防裝備 。例如美國有60萬座高速公路橋梁,典型的壽命是50-60年。在今后15-20年將要花費維修成本300億美元 。更換橋板的平均成本為$400m-2,橋梁涂裝每年花費1-1.3億。美國有410000英里的油氣輸運管線, 60%是40年以上的老管線,主要考慮外腐蝕:28%的外腐蝕失效是涂層的破壞引起的,16%屬陰極保護不良 。操作和維修的年度成本估計為40-120億美元。管線失效造成的間接損失可能很大,在中等敏感區每次溢油估計損失為1億美元。給排水系統需要大量維修工作 ,給水花費10億,廢水為9億。美國有7000架飛機,其中4000架渦輪噴氣機,有一些飛機已超過20年設計壽命。每架波音777的腐蝕成本設計階段為2500萬美元 ,加工和裝配階段為45000美元,每年的維護費用為100-250萬美元。美國有道路車輛2億臺 ,工程和材料費估計為25億,維護修理的費用達到42億,由于腐蝕價格的下降為140億。近30年來汽車工業有了很大的進步 。汽車至少要用到10年以上才發現明顯的腐蝕問題。廣泛采用鍍鋅和更好的磷化預處理,車身下密封由瀝青換成PVC材料 ,排氣系統大量用不銹鋼,車身用鋁合金與塑料引入近代控制方法仍要花去總加工費的4-5%。近數十年來由于對腐蝕過程認識的深入以及采用了更好的材料和防護方法腐蝕損失有所降低 ,但在近海油氣開采及腐蝕性較強的化工企業仍會遇到嚴重的腐蝕損失;て髽I估計出來的腐蝕損失范圍很寬 ,取決于被加工介質的腐蝕性,從小于0.1%到9%。絕緣保溫層下的腐蝕居于榜首。海工結構的均勻腐蝕仍然常常遇到 ,化工和石化部門金屬的粉化成為一種新的威脅。RBR和LCC之類的分析方法已經得到廣泛應用 。雖然由RBI得到有關成本節約的意見有所不同,以及LCC的分析結果受到基建投資的限制不能完全得到應用 ,這意味著有一部分潛在的節約失掉了。今后操作條件會變得更加苛刻,而且現存工廠的老化,腐蝕損失的壓力會進一步上升 ,需要繼續努力。根據www.NACE.org網頁上最近的資料 ,美國FHWA支持項目Cost of Corrosion study的報道,1998年美國腐蝕間接損失為1379億,外推到美國經濟的腐蝕損失為2757億美元。

我國腐蝕的經濟損失

  1. 國內腐蝕調查的歷史和概況

在1980年7月,由國家科委腐蝕學科組向化工、石油、冶金、紡織、輕工、二機和建材等7個部門發了《腐蝕管理與腐蝕損失調查表》,并進行了走訪。調查結果如表1所示。由于缺乏統計數據,以及調查內容和調查方法不完善,表上所列數據實際上只反映了幾個部門企業的腐蝕損失。此后個別行業也進行過腐蝕損失調查。

表1 我國幾個工業部分企業的腐蝕損失調查

部門

可供統計的企業數

腐蝕損失,萬元

占總產值%

化學工業

10

7972.9

3.97

煉油工業

13

750.0

0.08

冶金工業

30

678.0

2.4

化纖工業

17

3300.0

1.5

1986年,由武漢材料保護研究所負責調查了1986年我國機械工業的腐蝕損失。腐蝕損失值達到116億元。

1999年,潘連生(原化工部副部長,中國化工防腐蝕技術協會理事長)在“99中國國際腐蝕控制大會”的報告中指出:“據統計中國化工腐蝕損失約占總腐蝕損失的11%,去年(1998年)我國因腐蝕造成的損失已達到2800億元,腐蝕嚴重的石油和化學工業的損失已達到400億元左右,化工生產中因腐蝕造成的事故約占總事故的31%”。

2.本次腐蝕調查所得到的我國腐蝕損失的統計結果和典型事例

根據對重點行業:能源、交通、建筑、機械、化工等行業重點企業腐蝕情況的調查,可以從統計數字和典型事例兩個方面來認識我國腐蝕造成的經濟損失狀況。

結合我國具體條件,在本次調查中我們采用發送腐蝕狀況調查表,向專家咨詢和文獻調研的方法,并分別用Uhlig方法和Hoar方法對我國腐蝕損失進行了估算。

21. Uhilg方法計算結果

Uhilg方法計算的結果如表2所示。

表2 從生產、制造方面計算的防蝕費 

防蝕方法

防蝕費,億元

防蝕費的比例,%

表面涂裝

1559.86

76.15

金屬表面處理

234.16

11.43

耐蝕材料

250.25

12.2

防銹油

2

0.10

緩蝕劑

1

0.05

電化學保護

1~2

0.07

腐蝕研究費

 

腐蝕調查費

 

2048.27

 

由上表2可以看出,我國的防蝕費有76%用在涂裝上,在其它方面的防蝕費則很少,而日本的涂裝費占總防蝕費的60%。這說明我國與日本有很大差距,許多先進的防蝕技術在我國尚未普遍應用。應該說明,在計算時,沒有包含其它的表面處理費,在耐蝕材料費中,沒有包含進口設備用的不銹鋼,沒有包含普通鋼本身腐蝕更新的費用,沒有包含銅、鎳等金屬材料和使用有機材料、無機材料的費用,沒有包含表面處理和耐蝕材料制做的設備的施工費等。

2.2. Hoar方法計算的結果

采用咨詢調查表,專家咨詢和文獻調研的方法對一些重點行業:能源、交通、建筑、機械和化工等行業的重點企業的腐蝕情況進行了調查,并根據已有的數據,用Hoar方法計算,結果如表3所示。對氯堿、染料、石油化工、煉油等工業的調查只了解到腐蝕狀況,而沒得到定量的腐蝕損失數據,本報告根據已有的數據對我國腐蝕損失進行了估算。

表3 Hoar方法調查結果

腐蝕損失,億元

化學工業

300

能源部門(電力、石油、煤)

172.1

交通部門(火車、汽車)

303.9

建筑部門(公路、橋梁、建筑)

1000

機械工業

512.43

2288.43

用Uhlig方法與Hoar方法腐蝕損失調查結果比較相近,分別為2048.27和2288.43億元如按國民經濟投入/產出表的方法來分析總損失每年可達4979.2億元。調查提供了大量的典型事例:

    • 某大型氯堿廠堿液蒸發器腐蝕每年經濟損失76萬元,熬堿鍋因腐蝕更換每年經濟損失170萬元。

    • 化肥行業尿素生產裝置中高壓甲銨冷凝器列管腐蝕導致整體設備報廢,經濟損失達數千萬元。

    • 上海醫藥總公司下屬40余家企業2000年腐蝕經濟損失8114萬元,

    • 鐵路系統長距離隧道內鋼軌嚴重腐蝕,每年更換費接近百萬元。

    • 工業建筑腐蝕:某銅電解廠投產后19年,因腐蝕大修16次,造成經濟損失824萬,是原基建投資的16倍;某鋁廠耐堿地面投資70萬,三年時間內因腐蝕大修花費76萬,由于堿液流失損失350萬,是基建投資的6倍。

    • 電力工業中火電系統:華東電網因鍋爐“四管”腐蝕爆漏導致非計劃停車115次,損失電量29億kw·h,經濟損失7.7億元;20世紀70年代發電機組由于葉片腐蝕斷裂導致33次腐蝕事故,直接經濟損失3.3億;山西某電廠1989年因鍋爐酸腐蝕爆管7次,累計損失電量15億kw·h,造成經濟損失4億元。

    • 石油工業系統:中原油田生產系統管線1993-1999腐蝕穿孔28012次,經濟損失56798萬(中原油田增加防護投入,及時采取防蝕措施后1999年腐蝕損失比1993年減少72%);四川天然氣管線一次腐蝕暴裂著火經濟損失7000萬;新疆某天然氣井由于管線腐蝕開裂,井噴著火76天,直接經濟損失7000多萬元。

自然環境腐蝕的危害與影響

自然環境(大氣、水、土壤)對材料與制品的腐蝕,由于其腐蝕速度比較緩慢,往往被人們所忽視。從這次調查的結果看:自然環境腐蝕對國家建設的危害與影響是嚴重的。它具有下列特點:一是自然環境腐蝕(相對于工業環境腐蝕)量大面廣,十分普遍。建筑、交通、機械、軍事系統主要是自然環境腐蝕,能源與化工系統的設備、裝置、管道的外腐蝕屬于自然環境腐蝕,內腐蝕屬于工業環境腐蝕。國民經濟的所有部門都存在自然環境腐蝕,人們的生活也受到自然環境腐蝕的影響;二是自然環境腐蝕的損失在總損失中所占的比例最大。據統計大氣中使用的鋼材約占生產總量的60%,材料大氣環境腐蝕損失占總損失的50%以上,土壤約占20%,水環境腐蝕占10%以上,因此材料的自然環境腐蝕占總損失80%以上;三是不同自然環境的腐蝕差別很大。普碳鋼Q235在海洋大氣(湛江)中的腐蝕率是高原大氣(拉薩)的30倍;鍍鋅層在長江三角洲(寶鋼煉鐵廠棚下環境)海洋工業大氣環境中的腐蝕率是北京的147倍;南海海域海水中兩棲裝甲鋼板的腐蝕率比淡水大10倍;新疆鹽漬土中碳鋼的腐蝕率(最大孔蝕速度)比大慶蘇打鹽土大9倍,比成都草甸土大5倍;電纜的裸鋁護套材料在新疆土壤中心站1年就腐蝕穿孔;四是目前我國鄉鎮企業發展快,能源結構中絕大多數企業以煤為主要能源,致使大氣環境中硫氧化物的濃度升高,酸沉降物大量增加,造成酸雨污染,目前除我國西南地區老的酸雨區外,現已擴大到鄉鎮企業發展較快的省、市(浙江省酸雨區已達60%以上,江蘇南部也已成為酸雨區)。酸雨污染區材料的腐蝕率迅速增大,酸雨區(重慶)碳鋼Q235的腐蝕率是北京的2.4倍、純鋅的腐蝕率是北京的2倍、黃銅是北京的4倍、高強鋁合金(LY12)是北京的20倍。建筑材料(混凝土、大理石)在酸雨區的腐蝕率增加了1.5倍,涂(鍍)層在酸雨區的使用壽命降低,它只有北京的1/6-1/10。環境污染不僅使材料的環境適應性大大降低,而且直接影響設備、裝備與建筑物的使用壽命,甚至釀成腐蝕事故;五是自然環境腐蝕影響因素多,相互作用復雜。造成腐蝕破壞事故大多是自然環境中化學、物理、微生物等多種因素綜合作用的結果,目前已成為國際腐蝕與防護領域專家關注的熱點與難點問題。

我國腐蝕防護的科技進步

通過對重點行業、重點企業的腐蝕與防護情況調查,發現在國家建設與國民生產發展的推動下,20年來我國防腐蝕科學技術進步已取得顯著成效。

我國曾是世界上較早注意腐蝕的國家,自從1956年制定12年科技發展規劃開始,國家已把腐蝕作為專題來考慮。1962年12月國家科委、中國科學院和教育部共同制定了腐蝕與防護科技發展規劃,雖然其間經歷了許多波折未能完全付諸實施,但我國防腐蝕科學技術進步已取得顯著成效。40年來,我國逐步建立了專門的腐蝕研究機構和教學單位,科技隊伍不斷成長。1961年在33個有關腐蝕科研生產和高教單位中,大專以上水平的人員一共不過182人,發展到現在專業工程師至少在6000人以上。不少企業設置了相關的科室,加強防護設計,制訂防護設計規范與標準,科學合理地選用材料,采用長效防腐涂料與陰極保護相結合等綜合防護措施來控制腐蝕,取得了很好的效果。例如石油化工等重點行業的企業能夠通過大修總結經驗,加強防護措施,保證施工質量,使以往經常發生的腐蝕問題得到解決,延長了檢修周期,取得明顯的經濟效益。瀘州天然氣集團通過大修總結經驗,腐蝕問題解決得比較徹底,大修周期從1年延長至2年,經濟效益顯著提高;儀征化纖廠大修周期1年改為2年創凈利潤22-32億/年;中原油田加強防蝕投入,建立系統防腐蝕管理網絡,制訂防腐管理規章制度。組織實施后1999年管道腐蝕穿孔次數比1993年減少77.4%,腐蝕經濟損失降低72.7%;1996年化工部生產協調司經過調查研究匯總出“化工企業防腐蝕成功事例”145例,“化工企業防腐蝕工作存在問題”125例,材料具體、翔實,這些都說明了化工系統管理部門對腐蝕問題的普遍重視。管理比較嚴格的鐵路系統對車輛采用耐候鋼(即耐大氣腐蝕低合金鋼)代替了普通碳鋼,改進鋼材表面防護使客車與貨車的廠修期(中修)從過去的4~6年延長到6~8年;機車的架修從過去的20萬公里,延長至40萬公里;大亞灣核電站實現微機化管理,建有較完備的腐蝕與防護技術檔案,采用綜合防腐蝕措施后,使腐蝕控制成本降低(占核電站維修成本4-6%),經濟效益顯著提高;新疆石油管理局克拉瑪依至獨山子輸油管線,通過大修,采用瀝青涂層與陰極保護聯合防護措施,嚴格保證施工質量,20年來運行良好,沒有發生泄漏事故,節約防護費用190萬。

我國腐蝕與防護存在的問題、對策與建議

戰略目標:

我們期望政府和社會各界能像關注醫學、環境科學一樣關注腐蝕問題。如果說醫學是研究和保護人類本身健康的科學;環境科學是研究和保護包括人類在內的整個生物界與自然界之間相互依存的環境的科學,那麼腐蝕科學則是研究和保護人類物質文明賴以建立和發展的基礎設施的一門科學。因此,腐蝕控制的問題應引起社會,特別是國家經濟建設和國防建設中有關部門領導的高度重視。新世紀我國現代化建設進入了新階段,建議我國腐蝕與防護工作現階段的戰略目標是:

普及防腐蝕知識,強化國家對腐蝕與防護工作的管理,發展防腐蝕高新技術,實現對工業和自然環境的全面腐蝕控制 ,節約有限資源,保護環境,減少經濟損失。

金屬的腐蝕與防護從學科特點來看,是一門由材料、冶金、化學、電化學、物理、力學和微生物學等多門學科交叉滲透所形成的邊緣性的技術科學。近年來隨著非金屬材料及復合材料在高新技術上的應用日益廣泛,對這類與其腐蝕老化規律和機理的研究也逐漸受到重視。

20世紀是腐蝕科學基礎理論取得突破進展,逐步形成獨立學科分支的一個世紀,1932年伊文思和霍爾用實驗證明了金屬表面存在著腐蝕電池,其陽極區和陰極區流過的電量與金屬的腐蝕量直接有關。1938年瓦格納和施勞德提出了在金屬表面發生一對共軛反應和混合電位的概念,同年布爾拜計算并畫出了腐蝕的電位-pH圖,確立了近代金屬腐蝕科學的熱力學理論基礎,伊文思把布爾拜這一貢獻比作微分方程的創立對數學的貢獻。腐蝕動力學方面的進展對指導腐蝕控制更有十分重要的意義。

近年來國際上最為活躍的領域包括:

  1. 金屬/腐蝕介質界面反應和決速步驟的原位綜合研究

  2. 鈍化、高強度不銹鋼和耐蝕合金

  3. 耐高溫/高壓、耐強腐蝕介質、耐多相流沖刷腐蝕等苛刻條件下服役的高性能復合涂層,包括添加碳化物、超細陶瓷粉等耐磨材料的復合涂層以及含納米功能性添加劑的涂層

  4. 環保型涂層,包括防污損生物附著涂層、水基和無溶劑型涂層、低價鍍鉻和轉化膜的開發

  5. 利用電化學微探針技術和電子光學原位技術從分子水平上研究緩蝕機理 ,包括緩蝕劑分子和特性官能團在表面的吸附和緩蝕機理、表面自組裝膜和電聚合膜型緩蝕劑的研究、環境相容的緩蝕/殺菌/阻垢多效緩蝕劑的開發,例如用于電子裝備的氣相緩蝕劑的研究與開發

  6. 硫酸還原菌、鐵細菌、腐生菌和硫細菌等微生物影響下的腐蝕

  7. 鋼筋混凝土結構腐蝕的發生發展規律和影響因素、檢測/維修/保養技術

  8. 海洋平臺、長輸管線等大型工程結構陰極保護的計算機輔助設計、以及其他根據設計規范/評價判據/專家經驗建立的專家系統等智能軟件的開發

  9. 腐蝕的在線檢測/評價/預測預報、大型裝置的可靠性和服役適應性的評估、檢修周期和腐蝕剩余壽命的評估

  10. 工業裝置/設備“在使用壽命期內總費用的技術/經濟綜合分析”和防護系統工程學(Terotechnology)

可以看出,近年來的熱點研究領域都有十分強的應用背景,其結果對國民經濟的結構和效益帶來了十分強烈的影響。

我國腐蝕問題的狀況與世界的總趨勢一致。通過本次調查也可以清楚看到我國材料制品、工程結構、設備裝置及建筑物等受工業與自然環境的腐蝕在各行業仍普遍存在,得到控制的程度還很低。每年國家不得不為腐蝕所付出的經濟代價,包括直接損失、間接損失和控制費用的總和可達4千多億元之巨(約占國民經濟總值的5%)。其特點是:

  • 涂料和涂裝、耐蝕材料和表面處理在腐蝕損失中占有最大的比例。近年來國際上由于十分注意對環境和人體健康的保護,加強了環保立法,因而對新涂料和緩蝕劑的發展提出了更高的要求。相鄰學科近代理論和試驗技術的進展為開發新型涂料提供了可能,創新結果不斷出現,可惜國內在涂料的研究開發方面尚處于較為無序的狀態,在國際競爭中處于十分不利的地位。應該組織起來,利用這個時機取得突破,形成自主的知識產權。

  • 大規;A設施建設與自然環境腐蝕關系十分密切。這對中國有很大的現實意義。在諸多防護方法中,涂層和陰極保護仍是最經濟有效的工程防護措施。其中集成的配套技術十分重要,也是科技水平的體現。目前我國在監檢測、CAD的推廣與應用和陰極保護與涂層聯合使用的防護技術目前還不夠普遍,與國外還有較大差距,應該加強這方面的力量,迎頭趕上。

  • 隨著國民經濟實力的增長,生活質量的提高,社會將會更有條件接受“在使用壽命期內總費用的技術/經濟綜合分析”和“防護系統工程學”等新的概念,預期今后土木建筑、電力、通訊、交通設施和裝備、汽車、家電等耐用消費品將要求更多地使用耐候鋼、優質耐蝕鋼板和涂層鋼。通過提高建造成本換取維修成本和間接損失的大幅度下降。

21世紀是環境的世紀,在資源和能源制約的條件下,可持續發展是工程技術面臨的重要課題。 在解決有限資源的利用和環境保護等重大課題的過程中,腐蝕與防護作為一項可供直接利用的重要技術應該充分發揮自己的作用。中國正在進入大規模的經濟建設時期。 世界上工業發達國家的經驗已經表明,基礎設施投入的高峰期往往就是幾十年后腐蝕問題頻繁出現的高峰期。改革開放以來,我國產業結構的變化很大,第一產業的比例下降,第二產業所占比例保持繼續上升,第三產業所占比例穩中有升將增大。特別是近年來,我國經濟的發展很大程度上是依賴于新建設備和增加小企業來完成,腐蝕問題仍然是顯著的。與工業發達國家不同,預期本世紀中國的腐蝕損失還將保持持續增加的態勢。 因此目前應特別關注基礎設施建設中的腐蝕問題。1980年以來國民經濟生產總值迅速增長。海港、鐵路、公路、橋梁和機場等基礎設施大量使用傳統的結構材料如鋼鐵和及其制品,是腐蝕消耗的大戶。增加使用壽命、始終保持良好的設備服役性能,延長檢修周期是問題的關鍵。西部開發的特殊自然環境也正帶來許多新的防腐蝕問題,如涂層的快速老化等。調查表明,腐蝕防護技術的應用在不同行業中是不平衡的。例如石油、化工、電力部門腐蝕問題嚴重但有較好的工作基礎和專業隊伍;過去是以解決腐蝕較重的化學工業中的課題為主要目標,所以熟悉腐蝕的人限制在比較窄的工作領域,現在腐蝕防護工作正向基礎結構的維護管理領域擴展。有組織的強化腐蝕科學和工程研究,從基礎設施設計方案的論證開始到使用維護,都要充分利用已有的腐蝕知識和防護措施。通過腐蝕調查做到心中有數,使腐蝕損失最小化的策略明確化就有可能降低這種趨勢,給國家帶來極大的經濟利益。

我國腐蝕與防護領域在規劃和管理方面尚存在下列主要問題:

  • 由于材料(制品)的腐蝕與防護是跨行業、跨部門共性的科學技術,與國家經濟建設和國防建設的關系十分密切,但始終沒有專門機構來管理與指導這項工作。1960年5月國家科委組織成立跨部門的腐蝕與防護組,1978年改為腐蝕科學學科組,負責制訂全國腐蝕與防護科技規劃,建立腐蝕試驗網站,召開全國性學術會議,組織腐蝕調查、舉辦總工程師腐蝕防護培訓班等,在推動我國腐蝕與防護科技進步,降低腐蝕損失方面作出了成績,發揮了顯著作用。1979年中國腐蝕與防護學會成立后,國家科委腐蝕科學學科組的工作與活動停止。從此政府部門就沒有機構來管理全國的腐蝕與防護工作。市場經濟發展以后,我們在國家層面上對腐蝕問題的協調和管理反而削弱了。雖然腐蝕與國家經濟建設和國防建設的關系十分密切,但并不直接創造經濟效益。因此分散在各行業中腐蝕隊伍往往都是弱勢群體,呼聲微弱。雖然中國腐蝕與防護學會和中國化工防腐蝕協會的成立作為學術界的群眾團體在組織學術交流、舉辦腐蝕與防護培訓班、普及腐蝕與防護科技知識等方面可以發揮很大作用,但在制訂戰略規劃、制訂有關腐蝕與防護的標準、規范、推廣先進的腐蝕與防護科學技術等方面,沒有政府部門的專門機構來管理,權威性不夠,對國家建設和腐蝕與防護科技的發展則帶來了一定影響。根據資料調查,前蘇聯1980年建立國家防蝕局;英國由政府工商部,美國由國家標準局來主管腐蝕與防護工作。

  • 對腐蝕的危害性和防腐蝕工作(即腐蝕控制)的重要性缺乏認識,特別是生產企業的領導及管理人員,普遍認為“材料腐蝕不可避免,損壞就修,報廢就換”;工程設計與建設人員、生產企業的操作人員與管理人員缺乏腐蝕與防護知識,防腐蝕管理工作薄弱,從人員到制度,大多數單位(包括工程建設單位與生產企業)均十分薄弱,致使腐蝕與防護科學技術在國家建設中沒有充分發揮作用,可以避免的腐蝕經濟損失得不到避免。

  • 我國材料、制品腐蝕標準與法規建設工作相當落后,雖然化工、石油、建筑等行業已制訂了不少防護設計、施工、試驗方法、耐蝕性評價等標準,但與發達國家相比還相距很遠,不能滿足國家建設和國際競爭的需要。例如ISO認證、美國國家標準局、腐蝕工程師學會(NACE)、金屬學會(ASM)、材料試驗協會(ASTM)等研究制訂了幾千個腐蝕與防護標準和規范,面對加入WTO后的新形勢,此項工作急待加強。

  • 近20年來我國沒有再制定長遠的發展規劃。對腐蝕與防護的基礎研究和材料環境腐蝕數據積累等基礎性工作,缺乏穩定支持的經費渠道,特別是對腐蝕與防護試驗研究基地的建設,缺乏必要的經費支持,人員不穩定,進一步提高水平受到限制。多年積累的數據資源由于體制和技術上的原因,很難實現共享,低水平重復的工作很多。

  • 我國工程教育的體制正在改革,新體制下如何普及腐蝕和防護知識,培育創新人才是個新的課題。我國腐蝕領域具有自主知識產權的核心技術不多,其根本原因是腐蝕工程師的專業基礎知識和從事學科交叉能力不夠。這種情況長期繼續下去則很難在國際競爭中取勝!叭瞬刨Y源是第一資源”,由于企業中的腐蝕工程師地位不高,吸收、凝聚和穩定人才都不容易,加上許多有經驗的老工程師正在成批的退休,人才問題就更為緊迫。由于大規模經濟建設和市場利益的驅動,防腐蝕正在形成一門新興的產業。當前,我國在勞動力資源方面投入腐蝕領域的比例很大,甚至整縣的人以腐蝕產業為生,但合格的工程師和高級管理人員嚴重短缺,防腐蝕工程隊伍的素質的提高是個很大的問題。在國外明確要求必須技校畢業,并經崗位技術培訓,考試合格后,持證才能上崗,而我國多數是臨時工、農民工承擔防腐施工,常識性的錯誤屢見不鮮,工程質量不易得到保證,留下許多隱患。

針對目前存在的主要問題,建議采取下列對策與措施:

1. 從國家的層面上切實加強腐蝕與防護工作的協調和管理。鑒于腐蝕與防護工作對國家建設的重要性和跨行業、跨部門的特點,建議由國家科技部,聯合國務院有關部門 (國家計委、經貿委、國家自然科學基金委員會、國防科工委、技術與質量監督局)組成全國腐蝕與防護工作協調領導小組(或指導委員會)負責制訂腐蝕與防護基礎性與公益性研究科技發展規劃,負責組織協調國內相關機構有計劃的開展工作,避免無序競爭,促進我國腐蝕與防護科技水平的提高,建議國家計委和科技部繼續重點支持國家腐蝕與防護試驗研究基地的建設,包括(國家重點實驗室、國家腐蝕試驗站網和國家腐蝕工程中心等)。此外,我國幅員遼闊,自然條件復雜,企業門類繁多,地區性和行業的腐蝕中心的協調發展也很重要,建議在材料生產與使用行業的企業集團中設置防腐蝕管理專門機構(或企業集團腐蝕與防護中心),配備專業科技人員,負責本行業(企業)防腐蝕標準制訂,組織應用與開發研究,培訓工程技術人員,不斷總結經驗,提高管理和技術水平;

2. 建議國家經貿委負責組織和委托有關專業機構完善國家腐蝕與防護的安全立法,由國家技術與質量監督局負責國家腐蝕與防護系列標準的制訂與國家腐蝕試驗檢測中心的設置;建議在協調組指導下成立國家腐蝕與防護中心,協助國家管理機構搞好組織協調與合作試驗研究,組織專家作好規劃、標準(及規范)的制訂、加強高層次人才培養,開展國際合作與交流;

3. 由科技部授權指定有關專業機構盡快研究制訂我國材料、制品腐蝕與防護的系列標準,并組織實施。根據發達國家的經驗以及我國加入WTO后防蝕工作與國際接軌的迫切需要,必須大力加強有關腐蝕與防護標準的研究制訂與實施工作。以往我國雖然參考國外標準也制訂了一些國家與行業的防腐蝕標準,但遠遠不夠,如美國材料大氣腐蝕試驗正在執行的有800多項標準,而我們只有十幾個。根據國家建設需要,結合國情,我們應盡快制訂材料環境適應性(耐蝕性)系列標準、材料制品、設備、裝備、建筑物等防蝕設計系列標準(及規范)、腐蝕試驗、檢測與評價方法系列標準、環境腐蝕性分類與評價系列標準和材料耐蝕性快速評價標準等。對生產與安全關系密切的還需要制訂防腐蝕的相關法律,如大工程的防護方案必須經過專家論證;城市地下管道沒有防護設計不能批準施工等。

4. 建議由國家科技部負責,組織專家,結合國情與國家建設需求,制訂腐蝕與防護科學技術發展規劃。加強基礎與防護新技術研究。對環境腐蝕與防護基礎性、公益性的專項研究,如材料(制品)環境腐蝕數據積累與共享、材料環境行為與規律研究、材料(制品)腐蝕環境影響研究等建議國家能給予長期穩定的經費支持。對耐蝕新材料、防護新技術、腐蝕檢測監控新方法新技術的研究與開發,組織研究單位與企業部門密切結合,在市場機制的推動下進行擁有自主知識產權的開發和應用研究,作好分工和協調,爭取在較短時間內,使我國的腐蝕與防護科技水平有顯著提高,為我國經濟與社會可持續發展提供技術支撐。

5. 認真總結我國先進企業的腐蝕與防護工作的經驗,結合國情吸收發達國家先進的防護技術和管理經驗,由主管部門發文或充分利用各類媒體,促進新技術在我國工程設計、建設單位和生產企業中推廣應用。腐蝕要從源頭抓起,以預防為主;不同行業,均應制訂防護設計的標準與規范,使防護工作有章可循,有法可依;努力宣傳和推廣壽命期內總費用全分析和防護系統工程學等近代理念和方法來管理腐蝕,推廣綜合防護措施;實行防蝕施工質量監理制,監理人員必須經過培訓考核,持證上崗;企業或工程的腐蝕與防護工作,要有專人負責,有專門的隊伍從事該項工作;在生產、制造、施工安裝、操作運行的每個環節都要加強防蝕管理?偨Y推廣先進企業的腐蝕與防護工作經驗。

6. 進一步審視我國工程教育及腐蝕專業人才的培訓體制。世界各國腐蝕與防護專家普遍認為:如能應用近代腐蝕科學知識和防腐蝕技術,腐蝕的經濟損失可以降低25~30%。我國環境腐蝕造成經濟損失巨大(每年4000多億)比例高的主要原因,是相當多數的建設部門和企業的負責人對環境腐蝕的嚴重性與危害性缺乏認識;不了解防護投入和企業經濟效益提高的關系,因此對腐蝕與防護工作不夠重視;此外,工程技術人員缺乏腐蝕與防護科技知識,特別是從事設計、制造、施工和管理的工程技術人員缺乏腐蝕與防護知識會直接影響我國腐蝕與防護科學技術水平的提高,防腐蝕新技術的推廣應用。建議國家科技部、教育部和國家經貿委聯合發文,要求大學工程教育中包含必要的腐蝕基礎知識,要求工程建設與企業領導,參加腐蝕與防護科技知識培訓,對有關工程技術人員要通過培訓、考核獲得資格證書,持證上崗(培訓工作可委托中國腐蝕與防護學會組織實施)。

我們確信通過全社會的共同努力,我們的戰略目標一定能夠實現。

 

中國腐蝕損失調查項目組成員

項目組長柯偉(中國科學院金屬研究所)

項目顧問曹楚南(浙江大學)  劉翔聲(中國科學院) 徐濱士(北京裝甲兵工程學院) 李鶴林(中國石油天然氣集團石油管材研究所)  王光雍(國家自然科學基金委)

項目組成員王振堯  韓薇 李志強 何海才 李洪錫 張亞明 張學元 于國才 張淑泉 孫成 劉壽榮(中國科學院金屬研究所)  楊德均 孫冬柏(中國腐蝕與防護學會) 路民旭 白真權(石油管材研究所) 王佳(中國科學院海洋研究所)  竇照英(華北電力實驗研究所) 周軍(華北電力設計院) 楊帆(廣東核電合營有限公司) 席時俊  楊松柏 張天紅(鐵道科學研究院金化所) 洪乃豐(冶金建筑研究總院) 曾曉莊(廣電總局設計院)  蕭以德(武漢材料保護研究所) 馬鳴圖(重慶汽車研究所) 鄒向東(鄭州燃氣有限公司) 許淳淳(北京化工大學)  陸柱 唐玉斌(華東理工大學) 任振鐸 忻英娣(中國化工防腐蝕技術協會) 馬世寧 劉謙(北京裝甲兵工程學院)  潘德惠(東北大學)

 
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