金属腐蚀机理

材料耐 CL 离子腐蚀能力不仅与 CL 离子浓度有关系，与介质温度也有关系。 130°C、10ppm 用 304， 25ppm，温度在 120°C 以下（包括 120°C）用 304， ，130°C，用 316； 50-80ppm，温度在 50°C 以下（包括 50°C）用 304， ，50-130°C，用 316； 110-150ppm， 温度在 50°C 以下 （包括 50°C） 304， 用 50-120°C， 316， 用 130°C， 317； 用 300ppm，50°C 用 316，80°C 用 317，80-130°C 用 254>300-500ppm，50°C 用 317，80-120°C 用 254，130°C 用 Ti>500-2000ppm，50-80°C 用 254，80-130°C 用 Ti>2000-5000ppm，50°C 用 254，80-130°C 用 Ti>5000-20000ppm，50°C 用 Ti，80-120°C 用 Ti-Pb，130°C 用 TiC-276
2. 2 应力腐蚀失效的防护措施 控制应力腐蚀失效的方法,从内因入手,合理选材,从外因入手,控制应力、控制介质或控制电 位等。实际情况千变万化,可按实际情况具体使用。 （1）选用耐应力腐蚀材料 近年来发展了多种耐应力腐蚀的不锈钢,主要有高纯奥氏体铬镍钢,高硅奥氏体铬镍钢,高铬 铁素体钢和铁素体—奥氏体双相钢。其中,以铁素体—奥氏体双相钢的抗应力腐蚀能力最好。 （2）控制应力 在压力容器装配时,尽量减少应力集中,并使其与介质接触部分具有最小的残余应力，防止磕 碰划伤,严格遵守焊接工艺规范。 （3） 严格遵守操作规程 工艺操作、工艺条件对压力容器的腐蚀有巨大的影响。因此,必须严格控制原料成分、流速、 介质温度、压力、pH 值等工艺指标。在工艺条件允许的范围内添加缓蚀剂。铬镍不锈钢在溶 解有氧的氯化物中使用时,应把氧的质量分数降低到 1. 0 ×10 - 6 以下。实践证明,在含有 氯离子质量分数为 500. 0 ×10 - 6 的水中,只需加入质量分数为 150. 0 ×10 - 6 的硝酸盐 和质量分数为 0. 5 ×10 - 6 亚硫酸钠混合物,就可以得到良好的效果。 （4） 维修与管理 为保证压力容器长期安全运行,应严格执行有关压力容器方面的条例、法规,对在用压力容器 中允许存在的缺陷必须进行复查,及时掌握其在运行中缺陷的发展情况,采取适当的措施,减 少设备的腐蚀。 3 孔蚀失效及预防措施 3. 1 孔蚀失效机理 在压力容器表面的局部地区,出现向深处腐蚀的小孔,其余地区不腐蚀或腐蚀轻微,这种腐蚀 形态称为小孔腐蚀(也称点蚀) 。 点蚀一般在静止的介质中容易发生。 具有自钝化特性的金属 在含有氯离子的介质中,经常发生孔蚀。蚀孔通常沿着重力方向或横向方向发展,孔蚀一旦形 成,具有深挖的动力,即向深处自动加速。 含有氯离子的水溶液中,不锈钢表面的氧化膜便产生 了溶解,其原因是由于氯离子能优先有选择地吸附在氧化膜上,把氧原子排掉,然后和氧化膜 中的阳离子结合成可溶性氯化物,结果在基底金属上生成孔径为 20μm～30μm 小蚀坑,这些 小蚀坑便是孔蚀核。在外加阳极极化条件下,只要介质中含有一定量的氯离子,便可能使蚀核 发展成蚀孔。在自然条件下的腐蚀,含氯离子的介质中含有氧或阳离子氧或阳离子氧化剂时, 能促使蚀核长大成蚀孔。 氧化剂能促进阳极极化过程,使金属的腐蚀电位上升至孔蚀临界电位 以上。 蚀孔内的金属表面处于活化状态,电位较负,蚀孔外的金属表面处于钝化状态,电位较正, 于是孔内和孔外构成一个活态———钝态微电偶腐蚀电池,电池具有大阴极小阳极面积比结 构,阳极电流密度很大,蚀孔加深很快,孔外金属表面同时受到阴极保护,可继续维持钝化状态。 孔内主要发生阳极溶解: Fe →Fe2 + + 2e , Cr →Cr3 + + 3e , Ni →Ni2 + + 2e 。 介质呈中性或弱碱性时,孔外的主要反应为: O2 + H2O + 2e →2OH- 。 由于阴、阳两极彼此分离,二次腐蚀产物将在孔口形成,没有多大的保护作用。孔内介质 相对于孔外介质呈滞流状态,溶解的金属阳离子不易往外扩散,溶解氧也不易扩散进来。由于 孔内金属阳离子浓度增加,氯离子迁入以维持电中性,这样就使孔内形成金属氯化物的浓溶液, 这种浓溶液可使孔内金属表面继续维持活化状态。 又由于氯化物水解的结果,孔内介质酸度增 加,使阳极溶解加快,蚀孔进一步发展,孔口介质的 pH 值逐渐升高,水中的可溶性盐将转化为
沉淀物,结果锈层、垢层一起在孔口沉积形成一个闭塞电池。闭塞电池形成后,孔内、外物质 交换更加困难,使孔内金属氯化物更加浓缩,氯化物水解使介质酸度进一步增加,酸度的增加 将使阳极溶解速度进一步加快,蚀孔的高速度深化,可把金属断面蚀穿。这种由闭塞电路引起 的孔内酸化从而加速腐蚀的作用称为自催化酸化作用。 影响孔蚀的因素很多,金属或合金的性 质、表面状态,介质的性质、pH 值、温度等都是影响孔蚀的主要因素。大多数的孔蚀都是在 含有氯离子或氯化物的介质中发生的。具有自钝化特性的金属,孔蚀的敏感性较高,钝化能力 越强,则敏感性越高。 实验表明,在阳极极化条件下,介质中主要含有氯离子便可以使金属发生 孔蚀,而且随着氯离子浓度的增加,孔蚀电位下降,使孔蚀容易发生,尔后又使孔蚀加速。处于 静止状态的介质比处于流动状态的介质能使孔蚀加快。 介质的流速对孔蚀的减缓起双重作用, 加大流速(仍处于层流状态) ,一方面有利于溶解氧向金属表面输送,使氧化膜容易形成;而另 一方面又减少沉淀物在金属表面沉积的机会,从而减少产生孔蚀的机会。 3. 2 防止孔蚀的措施 （1）在不锈钢中加入钼、氮、硅等元素或加入这些元素的同时提高铬含量,可获得性能良好 的钢种。耐孔蚀不锈钢基本上可分为 3 类:铁素体不锈钢;铁素体—奥氏体双相钢;奥氏体不 锈钢。设计时应优先选用耐孔蚀材料。 （2）降低氯离子在介质中的含量,操作时严防跑、冒、滴、漏等现象的发生。 （3） 在工艺条件许可的情况下,可加入缓蚀剂。 对缓蚀剂的要求是,增加钝化膜的稳定性或有 利于受损钝化膜得以再钝化。例如,在 10 %的 FeCl3 溶液中加入 3 %的 NaNO2 ,可长期防止 1Cr18Ni9Ti 钢的孔蚀。 （4） 采用外加阴极电流保护,抑制孔蚀。 氯离子对不锈钢制压力容器的腐蚀,对压力容器的安 全性有很大的影响。即使是合理的设计、精确的制造避免或减少了容器本身的缺陷,但是,在 长期使用中,由于各种错综复杂因素的联合作用,容器也会受到一定的腐蚀。虽然目前对防止 氯离子对不锈钢腐蚀的方法还不十分完善,但掌握一些最基本的防护措施,对保证生产的正常 进行,还是十分必要的。除此之外,还应严格按照操作规程操作,加强设备管理,做好容器的定 期检验,以保证容器在合理的寿命期限内安全运行。
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氯离子对不锈钢腐蚀的机理 在化工生产中,腐蚀在压力容器使用过程中普遍发生,是导致压力容器产生各种缺陷的主要因 素之一。 普通钢材的耐腐蚀性能较差,不锈钢则具有优良的机械性能和良好的耐腐蚀性能。 Cr 和 Ni 是不锈钢获得耐腐蚀性能最主要的合金元素。Cr 和 Ni 使不锈钢在氧化性介质中生成 一层十分致密的氧化膜,使不锈钢钝化,降低了不锈钢在氧化性介质中的腐蚀速度,使不锈钢 的耐腐蚀性能提高 。 氯离子的活化作用对不锈钢氧化膜的建立和破坏均起着重要作用。 虽然 至今人们对氯离子如何使钝化金属转变为活化状态的机理还没有定论,但大致可分为 2 种观 点。 成相膜理论的观点认为,由于氯离子半径小,穿透能力强,故它最容易穿透氧化膜内极小的孔 隙,到达金属表面,并与金属相互作用形成了可溶性化合物,使氧化膜的结构发生变化,金属产 生腐蚀。 吸附理论则认为,氯离子破坏氧化膜的根本原因是由于氯离子有很强的可被金属吸附的能力, 它们优先被金属吸附,并从金属表面把氧排掉。因为氧决定着金属的钝化状态,氯离子和氧争 夺金属表面上的吸附点,甚至可以取代吸附中的钝化离子与金属形成氯化物,氯化物与金属表 面的吸附并不稳定,形成了可溶性物质,这样导致了腐蚀的加速。 电化学方法研究不锈钢钝化状态的结果表明,氯离子对金属表面的活化作用只出现在一定的 范围内,存在着 1 个特定的电位值,在此电位下,不锈钢开始活化。这个电位便是膜的击穿电 位,击穿电位越大,金属的钝态越稳定。 因此,可以通过击穿电位值来衡量不锈钢钝化状态的稳 定性以及在各种介质中的耐腐蚀能力。 2 应力腐蚀失效及防护措施 2. 1 应力腐蚀失效机理 在压力容器的腐蚀失效中,应力腐蚀失效所占的比例高达 45 %左右。因此,研究不锈钢制压力 容器的应力腐蚀失效显得尤为重要。 所谓应力腐蚀,就是在拉伸应力和腐蚀介质的联合作用下 而引起的低应力脆性断裂。应力腐蚀一般都是在特定条件下产生: ①只有在拉应力的作用下。 ② 产生应力腐蚀的环境总存在特定的腐蚀介质,不锈钢在含有氧的氯离子的腐蚀介质及 H2SO4 、H2S 溶液中才容易发生应力腐蚀。 ③ 一般在合金、碳钢中易发生应力腐蚀。研究表明,应力腐蚀裂纹的产生主要与氯离子的浓 度和温度有关。 压力容器的应力来源: ① 外载荷引起的容器外表面的拉应力。 ② 压力容器在制造过程中产生的各种残余应力,如装配过程中产生的装配残余应力,制造过 程中产生的焊接残余应力。在化工生产中,压力容器所接触的介质是多种多样的,很多介质中 含有氯离子,在这些条件下,压力容器就发生应力腐蚀失效。铬镍不锈钢在含有氧的氯离子的 水溶液中,首先在金属表面形成了一层氧化膜,它阻止了腐蚀的进行,使不锈钢钝化。 由于压力 容器本身的拉应力和保护膜增厚带来的附加应力,使局部地区的保护膜破裂,破裂处的基体金 属直接暴露在腐蚀介质中,该处的电极电位比保护膜完整的部分低,形成了微电池的阳极,产 生阳极溶解。 因为阳极小、 阴极大,所以阳极溶解速度很大,腐蚀到一定程度后,又形成新的保 护膜,但在拉应力的作用下又可重新破坏,发生新的阳极溶解。在这种保护膜反复形成和反复 破裂过程中,就会使某些局部地区的腐蚀加深,最后形成孔洞,而孔洞的存在又造成应力集中, 更加速了孔洞表面的塑性变形和保护膜的破裂。这种拉应力与腐蚀介质的共同作用便形成了 应力腐蚀裂纹。