浅谈压力容器材料的腐蚀与防护

2014-07-02殷亚芳马建东

科技视界 2014年10期

殷亚芳马建东

（1.中核新能核工业工程有限责任公司，山西太原030012；2.太原重工轨道交通设备有限公司，山西太原 030002）

在化工生产中，压力容器是一种不可替代的重要的设备。在压力容器的运行和使用过程中，长期处于高温和高压的条件下，使得压力容器极易发生腐蚀和破损，进而影响压力容器的正常使用，甚至出现重大工业事故，造成人员伤亡。因此，研究压力容器的腐蚀和防护对于工业生产安全的意义十分重大。

1 金属腐蚀的特点及分类

在压力容器的使用过程中，金属腐蚀是最常见的腐蚀形式，但是金属腐蚀的原理和腐蚀状况极为复杂，这也是困扰压力容器安全生产的一项重大难题。目前，我们根据金属腐蚀现象主要从金属腐蚀的过程、温度和破坏形式三方面将其分类，值得注意的是，这几种分类方式存在共通点和重叠点。下面具体介绍这几种分类方式：

1.1 根据金属腐蚀的过程分类

根据金属腐蚀的大致过程，我们将其分为化学腐蚀和电化学腐蚀两个过程。

（1）化学腐蚀。化学腐蚀是金属与离子溶液发生化学反应的一种腐蚀，腐蚀过程是一种置换反应过程，没有电流的产生，只有元素化合价的变化。化学腐蚀还可以分为气体腐蚀和溶液腐蚀，气体腐蚀是指的是金属表面在高温气体下的腐蚀，而溶液腐蚀指的是金属在不导电的非电解质溶液中发生化学腐蚀。

（2）电化学腐蚀。电化学腐蚀与化学腐蚀相比，最重要的不同在于它存在电子的转移和电流的产生，这种原理与原电池的工作原理类似，是化工生产中一种最常见的化学腐蚀形式。金属在通电的电解质溶液的反应都属于电化学腐蚀。

1.2 根据反应的温度分类

影响化学反应的重要的因素除了反应物的浓度和催化剂等，最不可忽略的就是温度的变化对于化学反应速率的影响。温度升高对于任何化学反应都会产生加快反应的效果。根据反应的温度可以将腐蚀分为常温腐蚀和高温腐蚀。

（1）常温腐蚀

常温腐蚀就是在常温条件下发生的金属腐蚀现象的化学反应。我们常见的常温腐蚀现象包括铁制品在大气中的生锈腐蚀，建筑物在水中发生腐蚀等。金属制品在酸碱溶液中发生的腐蚀既属于常温腐蚀也属于电化学腐蚀。

（2）高温腐蚀

顾名思义，高温腐蚀指的就是化学反应发生在温度较高的条件下的腐蚀，当然其中也包含化学腐蚀和电化学腐蚀。为了更好地区分常温腐蚀和高温腐蚀，我们将温度在100 摄氏度以上的反应归为高温腐蚀。高温腐蚀常见于工业生产中，尤其是电镀行业。例如电镀过程中的高温熔锌溶液与镀锌容器壁间的反应就是高温腐蚀的一个典型代表。

1.3 根据腐蚀的破坏形式分类

根据腐蚀的破坏形式一般都为金属腐蚀。根据腐蚀破坏情况又将金属腐蚀分为全面腐蚀、局部腐蚀和结构环境腐蚀三类。金属腐蚀一般从压力容器的表面开始反应，逐渐向容器壁的内部深入腐蚀，最终引起容器的外部或内部结构的破坏，这是金属腐蚀的一大特点。

全面腐蚀是金属腐蚀发生在压力容器的整个金属表面，腐蚀时破坏连成一片。这种腐蚀一般情况下是不均匀腐蚀，当然，也存在各种细微条件的相同出现的均匀腐蚀现象。与全面腐蚀相比，局部腐蚀是仅限于容器壁的一小部分发生严重的腐蚀而表面其他地方基本没有损坏或者没有损坏的现象。

从安全角度考虑，局部腐蚀往往比全面腐蚀更加危险。这是因为全面腐蚀的特征明显，并且由于腐蚀的速度相差不大，我们可以很容易的推算腐蚀的速度，进而估算破坏所带来的损失和更换设备的时间，达到设备利用的最大化。相反的，局部腐蚀是设备的局部发生破坏，这种破坏往往是隐秘的，不容易发现，极易造成突发爆炸，造成重大的人员伤亡。此外，局部腐蚀的反应机理和反应条件更加复杂，所以无法确定其反应速率，这样就会容易出现设备的突然损坏和事故的发生。

2 腐蚀的危害和防护的意义

腐蚀具有突发性和灾难性等特点，极易造成重大的经济损失，造成重大的人员伤亡。此外，腐蚀会影响设备的外观，还可能会造成生产出的产品不合格，影响产品的声誉和销路，更可能会造成环境污染，破坏生态环境。还有可能造成其他贵重产品的损坏。

腐蚀产生的破坏时高度集中的，并且蚀孔的破坏很不均匀，由于应力结构等的影响，蚀孔是向重力方向发展，蚀孔口径很小，并且表面往往覆盖有固体沉积物，因此及其不容易被发现，隐藏危害巨大，蚀孔的出现是没有任何预见性的，时间或长或短，这就使得腐蚀变得更加难以治理。所以，防止压力容器的腐蚀能够避免重大事发生、避免经济损失和人员伤亡。

3 影响腐蚀的主要原因

腐蚀是化学反应和电化学反应的集合，所以影响化学反应的主要因素就是影响腐蚀的主要因素，包括金属材料、温度、PH 值、电解质溶液的流动状态等。能够发生钝化的金属更容易发生腐蚀，所以，与碳钢相比，不锈钢更加敏感。所以，腐蚀更容易发生在钝态不稳定的金属表面，钝态越稳定的金属，发生腐蚀的几率就越低。温度是影响腐蚀的另一个重要的因素，温度越高，化学反应越快，腐蚀的速度就越快，设备破损就越快。 PH 值是影响腐蚀的另一个重要的原因，一般情况下，酸性溶液比碱性溶液更加容易腐蚀金属，而中性溶液对于金属设备来说无疑使最理想的。电解质溶液的流动速度也会影响腐蚀的速度，越是稳定的条件就越容易发生化学反应，这是因为在不稳定的介质流动可以消除溶液间的差别，消除溶液间的不均匀性，减缓腐蚀的速率，避免腐蚀的发生。

4 防止压力容器腐蚀的措施

4.1 涂层保护

涂层保护是避免腐蚀的一项最简单易行的方法，原理是用有机涂料或者无机物的陶瓷将发生反应的金属和溶液分隔开，成本较低，工艺简单，适应性广，见效明显。但是这种方法要在设备投入使用前进行，并且维护时间短，所以后期二次维护和劳动量大。

4.2 电化学保护

电化学保护是非常适应于水下保护的一种防腐蚀方法，其原理是利用电化学反应的原理，用一种金属保护压力容器壁金属和溶液进行反应，达到保护容器壁的效果。这种防护方法周期适中，但要耗费一定的电能，成本较高。电化学保护包括金属镀层、阳极保护、阴极保护和缓蚀剂保护四种。金属镀层就是在压力容器金属表面镀一层别的金属作为保护层，这种方法的保护周期较长，维护工作量小，但是施工工艺较为复杂，并且成本极高，所以，这种方法使用于面积较小并且环境恶劣的设备保护。阳极保护是应用很广的一类保护方法，是利用微弱电流使得作为阳极反应的金属钝化，减缓反应的进行和金属的消耗。阴极保护就是使得金属达到阴极极化，当阴极电势足够负的时候，金属就可以避免氧化溶解，从而得到完全保护。主要包括外加电流法和牺牲阳极法。缓蚀剂保护就是在溶液中加入一定的能够明显减少金属和溶液反应的一种物质，缓蚀剂可以有效地减缓金属的腐蚀，并且操作简便，可以避免产品污染，防止脆裂事故的发生，但是现在的技术还不够纯熟，不能够保证保护的实效性。