化工機(jī)械材料腐蝕的原因及防腐措施分析

危榮華(江西晶安高科技股份有限公司，江西 南昌 330000)

0 引言

金屬材料廣泛用于化工機(jī)械，屬于其主要構(gòu)成材料，相關(guān)的組裝、鑄造、焊接等環(huán)節(jié)直接影響化工機(jī)械性能，這種影響在很大程度上與腐蝕有關(guān)。為保證化工機(jī)械材料防腐措施的科學(xué)選用，正是本文研究的目標(biāo)所在。

1 化工機(jī)械材料腐蝕的原因

1.1 腐蝕類型

化工機(jī)械材料的腐蝕類型如圖1所示，全面腐蝕指的是發(fā)生于材料表面的腐蝕，如腐蝕性溶液與化工機(jī)械材料接觸，腐蝕會(huì)在材料表面出現(xiàn)，一般不會(huì)穿孔，但會(huì)導(dǎo)致材料；縫隙腐蝕源于機(jī)械設(shè)施上的螺栓連接處與焊接點(diǎn)，腐蝕會(huì)在狹窄的縫隙出現(xiàn)，如生產(chǎn)過(guò)程中或所處環(huán)境存在中性和酸性腐蝕液，縫隙腐蝕問(wèn)題很容易出現(xiàn)，含有活性陰離子的溶液較為容易引發(fā)縫隙腐蝕；點(diǎn)蝕指的是含特殊離子溶液與機(jī)械材料表面接觸引發(fā)的腐蝕，這種腐蝕很容易穿孔，在化工生產(chǎn)中較為常見(jiàn)，點(diǎn)蝕存在破壞性大、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)；應(yīng)力腐蝕指的是應(yīng)力作用下化工機(jī)械材料在腐蝕環(huán)境中出現(xiàn)的腐蝕狀態(tài)，如含有酸性氣體的環(huán)境會(huì)腐蝕化工機(jī)械材料?；C(jī)械材料如存在夾雜、晶格層間錯(cuò)斷、孔隙等缺陷，氫脆會(huì)在腐蝕環(huán)境中出現(xiàn)，進(jìn)而引發(fā)應(yīng)力腐蝕，酸性氣體在環(huán)境中的濃度對(duì)應(yīng)力腐蝕帶來(lái)的影響極為深遠(yuǎn)。

圖1 腐蝕類型

1.2 腐蝕原因

多方面原因均可能導(dǎo)致化工材料腐蝕，主要包括：第一，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)?；C(jī)械材料的晶粒直接關(guān)系其防腐性能，如選取活躍度較高的材料，材料與外界接觸時(shí)很容易出現(xiàn)腐蝕；第二，環(huán)境影響。如長(zhǎng)期處于高濕、高溫、高腐蝕環(huán)境，化工機(jī)械材料出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題的幾率將提升，需要使用帶腐蝕性溶液的化工設(shè)備將受到環(huán)境和溶液的雙重影響，材料腐蝕幾率將進(jìn)一步提升；第三，金屬活躍度。在相同的生產(chǎn)環(huán)境中，對(duì)于防腐性能不同的各類化工機(jī)械材料，一般表面越粗糙，越容易出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，這與金屬活躍度有關(guān)；第四，設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)維修。化工設(shè)備設(shè)計(jì)、日常養(yǎng)護(hù)維修均會(huì)直接影響其抗腐蝕性能，合理設(shè)計(jì)可避免液體和塵土堆積引發(fā)腐蝕問(wèn)題，養(yǎng)護(hù)維修的科學(xué)開(kāi)展也能夠有效預(yù)防材料腐蝕[1]。

上述原因?qū)儆谝l(fā)化工材料腐蝕的內(nèi)部因素，各類外部因素帶來(lái)的影響也需要得到重視，如化工機(jī)械處于含有腐蝕性氣體或液體的環(huán)境，腐蝕問(wèn)題很容易出現(xiàn)。如在酸堿性較強(qiáng)的環(huán)境下，化工機(jī)械設(shè)備的長(zhǎng)期生產(chǎn)很容易導(dǎo)致表面腐蝕問(wèn)題出現(xiàn)，氣體和液體流動(dòng)速度對(duì)腐蝕帶來(lái)的影響極為深遠(yuǎn)，如流動(dòng)速度較慢，腐蝕危害一般較小。如無(wú)法有效維護(hù)化工機(jī)械，相關(guān)金屬構(gòu)件銹蝕問(wèn)題無(wú)法及時(shí)處理，腐蝕加重將導(dǎo)致設(shè)備使用性能嚴(yán)重受損，這同樣需要得到重視。

2 化工機(jī)械材料防腐措施選擇

2.1 常用防腐措施

為提高化工機(jī)械材料防腐蝕性能，防腐措施的科學(xué)選用極為關(guān)鍵，常用措施包括：第一，優(yōu)選高等級(jí)耐蝕性金屬材料。腐蝕速率屬于耐蝕性等級(jí)界定依據(jù)，如普通碳鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳基合金分別屬于一般耐蝕性鋼材、中等耐蝕性鋼材、高等級(jí)耐蝕性金屬材料，化工機(jī)械在普通酸性環(huán)境下可選擇鈦合金和鎳基合金材料，但在較為苛刻酸性環(huán)境下，F(xiàn)-、Cl-很容易侵蝕鈦合金，這對(duì)其耐蝕性造成的削弱需要得到重視；第二，適當(dāng)熱處理?；C(jī)械在成型后，為保證其具備更為出色防腐性能，熱處理的科學(xué)開(kāi)展極為關(guān)鍵，這一處理方式能夠預(yù)防殘余應(yīng)力引發(fā)的相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)可有效消除內(nèi)部組織缺陷。對(duì)于金屬材料的金相結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，熱處理能夠在其中發(fā)揮均化作用，金相組織通過(guò)這一處理能夠形成腐蝕能力更強(qiáng)的熱力平衡狀態(tài)，進(jìn)而更好預(yù)防腐蝕問(wèn)題；第三，表面防護(hù)處理。化學(xué)鍍、涂層、熱浸鍍等均屬于常態(tài)的機(jī)械材料表面防護(hù)處理方法，涂層指的是在材料表面致密、均勻涂覆涂料，通過(guò)致密且具備一定厚度的涂層隔離腐蝕環(huán)境與材料表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕過(guò)程產(chǎn)生和發(fā)展的阻滯?；瘜W(xué)鍍指的是利用氧化-還原反應(yīng)，在無(wú)外加電流情況下能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)層形成，催化活性表面屬于其中關(guān)鍵，如純金屬、合金鍍層。在助鍍劑濕潤(rùn)支持下，熱浸鍍能夠形成由熔融金屬與基體組成的保護(hù)層，具體涉及反應(yīng)、擴(kuò)散過(guò)程，由此形成的合金層附著性較高。保護(hù)層能夠發(fā)揮減輕腐蝕或防腐蝕作用，從成本、效果等方面進(jìn)行考慮可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械材料表面防護(hù)處理屬于較為有效、經(jīng)濟(jì)的措施，如采用具備成本低、操作簡(jiǎn)單的Ni-Fe-P合金鍍層。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

選擇Ni-Fe-P合金鍍層和Q235鋼開(kāi)展防腐蝕試驗(yàn)，選取40×25×5 mm規(guī)格的試樣，通過(guò)碳化硅耐水砂紙(4種粒度)從粗到細(xì)進(jìn)行試樣打磨，在丙酮中對(duì)打磨后的試樣進(jìn)行5 min超聲波清洗，在鹽酸(10%)中進(jìn)行試樣活化，最后差地清洗試樣，采用去離子水清洗并在干燥箱中烘干；選擇堿性化學(xué)鍍液進(jìn)行化學(xué)鍍，具體構(gòu)成包括硫脲、硫酸銨、磷酸二氫鈉、檸檬酸鈉、硫酸亞鐵、硫酸鎳，配比分別為2 mg/L、20 g/L、25 g/L、50 g/L、5 g/L、35 g/L，需按照8.8左右控制pH值。在90 ℃的水浴溫度下，試樣預(yù)處理后在化學(xué)鍍液中進(jìn)行2 h施鍍，完成后將試樣取出并開(kāi)展腐蝕試驗(yàn)。腐蝕試驗(yàn)采用氯化鈉和鹽酸混合溶液，氯化鈉、鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5/0%、1.5%，全浸試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，以120 h為試驗(yàn)周期。設(shè)置平行試驗(yàn)3組，以此對(duì)試樣施鍍前后腐蝕速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均腐蝕速率為平均值。電化學(xué)阻抗譜和極化曲線通過(guò)三電極體系測(cè)試，以此對(duì)耐蝕性變化進(jìn)行更全面分析，測(cè)試溶液采用氯化鈉溶液(3.5%)[2]。

結(jié)合防腐蝕試驗(yàn)，可確定是有施鍍前后的平均腐蝕速率分別為3.41 mg·cm-2·h-1、0.53 mg·cm-2·h-1，同時(shí)圍繞腐蝕形貌進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，試樣施鍍前大量微觀腐蝕電池在其表面形成，混合溶液中的氯離子和溶解氧也參與腐蝕過(guò)程，試樣表面氧化膜因此被破壞，溶解速度隨之加快。在施鍍后，Ni-Fe-P合金鍍層在試樣表面沉積，這種非晶態(tài)結(jié)構(gòu)不存在層錯(cuò)、位錯(cuò)、晶界、等缺陷，且存在較低的孔隙率和均勻結(jié)構(gòu)，微觀腐蝕電池很難形成，其耐蝕性較為突出，這也是施鍍后試樣平均腐蝕速率大幅下降的原因。試樣施鍍后存在較為平整表面，不存在嚴(yán)重腐蝕區(qū)域。

圍繞圖2所示的極化曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，施鍍前、施鍍后試樣分別存在-0.76 V、-0.55 V的自腐蝕電位，這說(shuō)明施鍍后試樣發(fā)生腐蝕的難度大幅提升，越正的自腐蝕電位代表越高的發(fā)生腐蝕難度，這說(shuō)明試樣在施鍍后存在出色的耐蝕性。

圖2 極化曲線

圍繞圖3所示的電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，試樣施鍍前后均存在容抗弧組成的電化學(xué)阻抗譜，且均呈現(xiàn)偏心半圓形，半徑越大的容抗弧曲率代表越大的電荷轉(zhuǎn)移電阻，其對(duì)應(yīng)越好的耐蝕性。圍繞試樣在施鍍前后腐蝕過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合等效電路模型擬合電化學(xué)阻抗譜，基于電荷轉(zhuǎn)移電阻、溶液電阻、常相位元件(代替純電容)，同時(shí)考慮彌散效應(yīng)，可確定試樣施鍍前存在729 Ω/cm2的電荷轉(zhuǎn)移電阻，電荷轉(zhuǎn)移電阻在施鍍后提升明顯，具體達(dá)1 511 Ω/cm2，這一數(shù)值的顯著提升說(shuō)明試樣在施鍍后存在更大的腐蝕反應(yīng)阻力，試樣被腐蝕的難度大幅提升[3]。

圖3 電化學(xué)阻抗譜

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，多方面原因均可能導(dǎo)致化工機(jī)械材料腐蝕。為更好提升化工機(jī)械材料的防腐蝕性能，氟碳彈性體涂層、納米二氧化硅改性環(huán)氧樹(shù)脂涂層等新型防腐蝕技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用必須得到高度重視，相關(guān)研究和探索需要針對(duì)性開(kāi)展。