氯離子對(duì)壓力容器腐蝕的影響及預(yù)防方法分析

尉海晶，龔 博，劉 瑞，仙笑笑

（潞安化工機(jī)械（集團(tuán)）有限公司，山西太原 030032）

0 引言

壓力容器由于耐腐蝕性能較差，導(dǎo)致產(chǎn)生各種不同程度的缺陷。相較于普通鋼材，不銹鋼在耐腐蝕方面具備極強(qiáng)的性能，機(jī)械性能較好，主要原因是不銹鋼表面出現(xiàn)鎳、鉻的鈍化，形成耐腐性能極高的氧化膜。但是在遭遇到氯離子后，不銹鋼的耐腐蝕性能縱然再?gòu)?qiáng)也會(huì)面臨破壞的危險(xiǎn)，因此針對(duì)氯離子對(duì)于壓力容器造成腐蝕的影響，進(jìn)行深層次的研究以及分析，并提出有針對(duì)性的方法對(duì)其解決，具備極其重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 氯離子腐蝕壓力容器的機(jī)理

1.1 吸附理論

有關(guān)氯離子腐蝕壓力容器的機(jī)理，一種普遍認(rèn)可程度較高的理論即吸附理論。此理論是以對(duì)氯離子自身的研究作為基礎(chǔ)，與成相膜理論存在一定程度的差別。吸附理論指出，氯離子會(huì)對(duì)壓力容器產(chǎn)生程度較大的腐蝕，氯離子對(duì)于金屬有很強(qiáng)大的吸附能力，即金屬可以自動(dòng)吸收氯離子。一旦金屬表面附著大量的氯離子，金屬表面的氧化膜就會(huì)產(chǎn)生破壞、消耗，最終可能完全消解掉。一旦完全消解氯離子就會(huì)完全取代金屬表面原有的鈍化離子，并與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生較多的氯化物。氯化物化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，極容易出現(xiàn)可溶性物質(zhì)，給壓力容器在腐蝕方面帶來(lái)極大的影響。氯離子對(duì)于壓力容器會(huì)造成不同程度的腐蝕，且影響腐蝕程度相對(duì)較大，不論是從哪一種理論進(jìn)行研究，都需要從客觀實(shí)際的角度出發(fā)，對(duì)其制定出有針對(duì)性的措施進(jìn)行預(yù)防和解決。

1.2 成相膜理論

氯離子會(huì)對(duì)壓力容器造成不同程度的腐蝕，這是一個(gè)普遍現(xiàn)象，但是腐蝕如何形成，是新時(shí)期對(duì)其進(jìn)行研究的重點(diǎn)課題。成相膜理論針對(duì)氯離子在腐蝕原因方面展開深層次的研究，在現(xiàn)階段得到普遍認(rèn)同。支持成相膜理論的人認(rèn)為，氯離子半徑相對(duì)較小，因此氯離子在穿透性方面的性能較強(qiáng)，氯離子一旦處于游離狀態(tài)，氧化膜內(nèi)部的細(xì)小孔隙極易被其穿透，在穿透之后就會(huì)在金屬表面形成一層附著。在金屬表面如果氯離子附著面積過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致金屬表面的氧化膜結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的改變，從而出現(xiàn)腐蝕。成相膜理論相對(duì)比較貼合實(shí)際，因?yàn)榘l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的確是導(dǎo)致腐蝕出現(xiàn)的主要誘因，在日后的研究分析中可以以成相膜理論為基礎(chǔ)，對(duì)壓力容器抗腐蝕的方法進(jìn)行研究探討。

2 應(yīng)力腐蝕失效以及預(yù)防的方法

2.1 應(yīng)力腐蝕發(fā)生失效的機(jī)理

在壓力容器發(fā)生的腐蝕失效中，其中應(yīng)力腐蝕失效占比45%，因此對(duì)于壓力容器在應(yīng)力腐蝕失效方面的研究極其重要。應(yīng)力腐蝕是指在腐蝕介質(zhì)、拉伸應(yīng)力二者共同作用下，導(dǎo)致低應(yīng)力出現(xiàn)脆性斷裂的現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕通常會(huì)在既定的條件下出現(xiàn)：①在拉應(yīng)力的作用下；②能夠出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的環(huán)境，或多或少會(huì)存在一定程度的腐蝕介質(zhì)，壓力容器通常會(huì)在含氧的氯離子腐蝕介質(zhì)、硫化氫以及硫酸氫溶液中才容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕；③通常情況下在碳鋼合金中應(yīng)力腐蝕出現(xiàn)的概率較大；④應(yīng)力腐蝕出現(xiàn)裂紋的原因與氯離子的溫度、濃度有關(guān)。

壓力容器中應(yīng)力的主要來(lái)源：①在容器外表面由于外荷載所引起的拉應(yīng)力；②壓力容器在制造生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)的各種不同程度的殘余應(yīng)力，例如在裝配時(shí)會(huì)出現(xiàn)裝配殘余應(yīng)力，在制造時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力。化工行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，壓力容器可以接觸到不同形式的介質(zhì)，大部分介質(zhì)中都包含氯離子，壓力容器極易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕失效現(xiàn)象。

鎳鉻不銹鋼所制成的壓力容器，如果處在含氧的氯離子水溶液中，金屬表面會(huì)產(chǎn)生氧化膜，可以有效防止出現(xiàn)腐蝕，導(dǎo)致不銹鋼出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象。因?yàn)閴毫θ萜髯陨淼睦瓚?yīng)力、保護(hù)膜厚度增加所導(dǎo)致的附加應(yīng)力，會(huì)致使局部保護(hù)膜破裂，破裂位置的基體金屬直接暴露在腐蝕介質(zhì)中，此處電極電位相較于保護(hù)膜完整情況下低，從而導(dǎo)致微電池出現(xiàn)陽(yáng)極，最終形成陽(yáng)極溶解。由于陰極大、陽(yáng)極小，所以陽(yáng)極在溶解時(shí)的速度極快，腐蝕出現(xiàn)一定程度之后會(huì)形成一層新的保護(hù)膜，但是由于拉應(yīng)力的作用又會(huì)重新被破壞，再重新形成新的陽(yáng)極溶解。保護(hù)膜在反復(fù)形成—破裂的過(guò)程中，局部某些腐蝕狀況急劇加深，最終造成孔洞；而孔洞又會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，急劇加速孔洞表面的塑性變形和保護(hù)膜破裂，在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)相互作用下，最終導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋的出現(xiàn)[1]。

2.2 防止出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕失效的措施

要針對(duì)應(yīng)力腐蝕進(jìn)行科學(xué)、合理的控制，就需要從內(nèi)在因素著手，合理選擇材料，再?gòu)耐獠恳蛩刂?，?duì)電位、介質(zhì)、應(yīng)力等進(jìn)行控制。具體進(jìn)行時(shí)需要按照實(shí)際情況具體應(yīng)用。

（1）應(yīng)用耐應(yīng)力腐蝕的材料。近些年耐應(yīng)力腐蝕的壓力容器出現(xiàn)了不同的形式和種類，例如鐵素體-奧氏體雙相鋼、高鉻鐵素體鋼、高硅奧式體鉻鎳鋼、高純奧氏體鉻鎳鋼，其中抗應(yīng)力腐蝕性能最好的是鐵素體-奧氏體雙相鋼。

（2）對(duì)各種應(yīng)力進(jìn)行科學(xué)合理的控制。對(duì)壓力容器進(jìn)行具體裝備時(shí)，需要盡量降低應(yīng)力集中的情況，和介質(zhì)接觸的部位具有最小程度的殘余應(yīng)力，避免出現(xiàn)劃傷、磕碰，在焊接時(shí)嚴(yán)格遵守工藝標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在操作時(shí)嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。工藝條件、操作會(huì)在壓力容器腐蝕方面造成不同程度的影響，需嚴(yán)格控制原料成分、壓力、流速、pH 值、介質(zhì)溫度等工藝指標(biāo)。在工藝條件規(guī)定的范圍之內(nèi)，可以添加適當(dāng)?shù)木徫g劑。在溶解含氧氯化物時(shí)，如果應(yīng)用到鎳鉻不銹鋼，需要氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.001‰。此外，在水中氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如果為0.5‰，只需要添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.000 5‰的亞硫酸鈉混合物、0.15‰的硝酸鹽，就可以獲取極好的效果。

（4）壓力容器的管理以及養(yǎng)護(hù)維修。為了讓壓力容器在長(zhǎng)期運(yùn)行中的安全性得到合理保障，需要對(duì)于壓力容器相關(guān)的法規(guī)條例進(jìn)行嚴(yán)格執(zhí)行，壓力容器在具體應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)其存在的缺陷必須展開嚴(yán)格檢查，實(shí)時(shí)獲取壓力容器運(yùn)行過(guò)程中缺陷的具體情況，并采取合理措施進(jìn)行解決，最大限度降低設(shè)備出現(xiàn)腐蝕的概率[2]。

3 孔蝕失效以及預(yù)防方法

3.1 孔蝕失效原因

導(dǎo)致孔蝕出現(xiàn)的因素較多，溫度、pH 值、介質(zhì)性質(zhì)、表面狀態(tài)、合金或金屬的性質(zhì)等，都是導(dǎo)致孔蝕的主要誘因。大部分孔蝕發(fā)生的條件，都是在含氯化物或者氯離子的介質(zhì)中。具有自動(dòng)鈍化特點(diǎn)的金屬，孔蝕敏感程度較高，轉(zhuǎn)化能力更強(qiáng)。

在陽(yáng)極出現(xiàn)極化的情況下，介質(zhì)中如果含有氯離子就可以導(dǎo)致金屬出現(xiàn)孔蝕，而且伴隨氯離子濃度的不斷升高，孔蝕電位會(huì)出現(xiàn)下降，導(dǎo)致孔蝕出現(xiàn)的概率增加，最終導(dǎo)致孔蝕加劇。在介質(zhì)中，靜止?fàn)顟B(tài)下相比較于流動(dòng)狀態(tài)，更容易導(dǎo)致孔蝕速度加快。介質(zhì)流速對(duì)于孔蝕而言，在減緩方面可以起到雙重的作用并加大流速：一方面，可以幫助溶解氧向金屬表面進(jìn)行輸送，致使其快速形成氧化膜；另一方面，可以降低金屬表面出現(xiàn)沉淀物的概率，從而減少孔蝕出現(xiàn)的概率[3]。

3.2 預(yù)防孔蝕的方法

（1）在壓力容器中添加硅、氮等元素，可以改善鋼種的性能。耐孔蝕的不銹鋼大體分為3 種：奧氏體不銹鋼，鐵素體—奧氏體雙相鋼，鐵素體不銹鋼。在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先應(yīng)用耐孔蝕的材料。

（2）減少介質(zhì)中氯離子的含量，在操作時(shí)嚴(yán)格禁止漏、滴、冒等情況的出現(xiàn)。

（3）在工藝條件全部允許的情況下，可以添加緩解腐蝕的溶劑，增加鈍化膜穩(wěn)定性，促進(jìn)受損鈍化膜再次鈍化。

（4）應(yīng)用外加陰極的電流保護(hù)方法，抑制孔蝕出現(xiàn)。氯離子對(duì)不銹鋼壓力容器所造成的腐蝕，對(duì)壓力容器的安全性能會(huì)造成較大影響。即便在設(shè)計(jì)時(shí)相對(duì)比較合理，制造時(shí)精準(zhǔn)度較高，可以極大程度降低容器自身的缺陷，但應(yīng)用時(shí)間一旦較長(zhǎng)，由于摻雜各種不同的復(fù)雜因素，容器會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕。在具體應(yīng)用過(guò)程中需要掌握最基本的措施，對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，讓生產(chǎn)過(guò)程具有穩(wěn)定性。在操作時(shí)需要嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)定，強(qiáng)化設(shè)備的管理工作，對(duì)容器進(jìn)行定期檢查，保證容器在規(guī)定壽命之內(nèi)，運(yùn)行中的安全性能夠得到保障[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)壓力容器出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題進(jìn)行解決的方法并不單一，有很多措施可以預(yù)防腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，還可以提升壓力容器在運(yùn)行中的效果以及應(yīng)用性能。在日后發(fā)展過(guò)程中，對(duì)于氯離子出現(xiàn)腐蝕的問(wèn)題，還要繼續(xù)進(jìn)行深層次的研究，發(fā)掘更多的原因?qū)ζ溥M(jìn)行針對(duì)性的解決。此外需要注意的是，一部分壓力容器由于具有特殊的要求和性能，在對(duì)氯離子腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行控制時(shí)，需要考慮多方面的因素，不要出現(xiàn)偏離。