氯离子对压力容器腐蚀的影响及预防方法分析

尉海晶，龚 博，刘 瑞，仙笑笑

（潞安化工机械（集团）有限公司，山西太原 030032）

0 引言

压力容器由于耐腐蚀性能较差，导致产生各种不同程度的缺陷。相较于普通钢材，不锈钢在耐腐蚀方面具备极强的性能，机械性能较好，主要原因是不锈钢表面出现镍、铬的钝化，形成耐腐性能极高的氧化膜。但是在遭遇到氯离子后，不锈钢的耐腐蚀性能纵然再强也会面临破坏的危险，因此针对氯离子对于压力容器造成腐蚀的影响，进行深层次的研究以及分析，并提出有针对性的方法对其解决，具备极其重要的现实价值。

1 氯离子腐蚀压力容器的机理

1.1 吸附理论

有关氯离子腐蚀压力容器的机理，一种普遍认可程度较高的理论即吸附理论。此理论是以对氯离子自身的研究作为基础，与成相膜理论存在一定程度的差别。吸附理论指出，氯离子会对压力容器产生程度较大的腐蚀，氯离子对于金属有很强大的吸附能力，即金属可以自动吸收氯离子。一旦金属表面附着大量的氯离子，金属表面的氧化膜就会产生破坏、消耗，最终可能完全消解掉。一旦完全消解氯离子就会完全取代金属表面原有的钝化离子，并与金属发生化学反应，产生较多的氯化物。氯化物化学性质不稳定，极容易出现可溶性物质，给压力容器在腐蚀方面带来极大的影响。氯离子对于压力容器会造成不同程度的腐蚀，且影响腐蚀程度相对较大，不论是从哪一种理论进行研究，都需要从客观实际的角度出发，对其制定出有针对性的措施进行预防和解决。

1.2 成相膜理论

氯离子会对压力容器造成不同程度的腐蚀，这是一个普遍现象，但是腐蚀如何形成，是新时期对其进行研究的重点课题。成相膜理论针对氯离子在腐蚀原因方面展开深层次的研究，在现阶段得到普遍认同。支持成相膜理论的人认为，氯离子半径相对较小，因此氯离子在穿透性方面的性能较强，氯离子一旦处于游离状态，氧化膜内部的细小孔隙极易被其穿透，在穿透之后就会在金属表面形成一层附着。在金属表面如果氯离子附着面积过大，就会导致金属表面的氧化膜结构发生不同程度的改变，从而出现腐蚀。成相膜理论相对比较贴合实际，因为发生化学反应的确是导致腐蚀出现的主要诱因，在日后的研究分析中可以以成相膜理论为基础，对压力容器抗腐蚀的方法进行研究探讨。

2 应力腐蚀失效以及预防的方法

2.1 应力腐蚀发生失效的机理

在压力容器发生的腐蚀失效中，其中应力腐蚀失效占比45%，因此对于压力容器在应力腐蚀失效方面的研究极其重要。应力腐蚀是指在腐蚀介质、拉伸应力二者共同作用下，导致低应力出现脆性断裂的现象。应力腐蚀通常会在既定的条件下出现：①在拉应力的作用下；②能够出现应力腐蚀的环境，或多或少会存在一定程度的腐蚀介质，压力容器通常会在含氧的氯离子腐蚀介质、硫化氢以及硫酸氢溶液中才容易出现应力腐蚀；③通常情况下在碳钢合金中应力腐蚀出现的概率较大；④应力腐蚀出现裂纹的原因与氯离子的温度、浓度有关。

压力容器中应力的主要来源：①在容器外表面由于外荷载所引起的拉应力；②压力容器在制造生产过程中，出现的各种不同程度的残余应力，例如在装配时会出现装配残余应力，在制造时会出现焊接残余应力。化工行业在生产过程中，压力容器可以接触到不同形式的介质，大部分介质中都包含氯离子，压力容器极易出现应力腐蚀失效现象。

镍铬不锈钢所制成的压力容器，如果处在含氧的氯离子水溶液中，金属表面会产生氧化膜，可以有效防止出现腐蚀，导致不锈钢出现钝化现象。因为压力容器自身的拉应力、保护膜厚度增加所导致的附加应力，会致使局部保护膜破裂，破裂位置的基体金属直接暴露在腐蚀介质中，此处电极电位相较于保护膜完整情况下低，从而导致微电池出现阳极，最终形成阳极溶解。由于阴极大、阳极小，所以阳极在溶解时的速度极快，腐蚀出现一定程度之后会形成一层新的保护膜，但是由于拉应力的作用又会重新被破坏，再重新形成新的阳极溶解。保护膜在反复形成—破裂的过程中，局部某些腐蚀状况急剧加深，最终造成孔洞；而孔洞又会导致应力集中，急剧加速孔洞表面的塑性变形和保护膜破裂，在拉应力和腐蚀介质相互作用下，最终导致应力腐蚀裂纹的出现[1]。

2.2 防止出现应力腐蚀失效的措施

要针对应力腐蚀进行科学、合理的控制，就需要从内在因素着手，合理选择材料，再从外部因素着手，对电位、介质、应力等进行控制。具体进行时需要按照实际情况具体应用。

（1）应用耐应力腐蚀的材料。近些年耐应力腐蚀的压力容器出现了不同的形式和种类，例如铁素体-奥氏体双相钢、高铬铁素体钢、高硅奥式体铬镍钢、高纯奥氏体铬镍钢，其中抗应力腐蚀性能最好的是铁素体-奥氏体双相钢。

（2）对各种应力进行科学合理的控制。对压力容器进行具体装备时，需要尽量降低应力集中的情况，和介质接触的部位具有最小程度的残余应力，避免出现划伤、磕碰，在焊接时严格遵守工艺标准。

（3）在操作时严格遵循相关标准。工艺条件、操作会在压力容器腐蚀方面造成不同程度的影响，需严格控制原料成分、压力、流速、pH 值、介质温度等工艺指标。在工艺条件规定的范围之内，可以添加适当的缓蚀剂。在溶解含氧氯化物时，如果应用到镍铬不锈钢，需要氧的质量分数低于0.001‰。此外，在水中氯离子的质量分数如果为0.5‰，只需要添加质量分数分别为0.000 5‰的亚硫酸钠混合物、0.15‰的硝酸盐，就可以获取极好的效果。

（4）压力容器的管理以及养护维修。为了让压力容器在长期运行中的安全性得到合理保障，需要对于压力容器相关的法规条例进行严格执行，压力容器在具体应用过程中，对其存在的缺陷必须展开严格检查，实时获取压力容器运行过程中缺陷的具体情况，并采取合理措施进行解决，最大限度降低设备出现腐蚀的概率[2]。

3 孔蚀失效以及预防方法

3.1 孔蚀失效原因

导致孔蚀出现的因素较多，温度、pH 值、介质性质、表面状态、合金或金属的性质等，都是导致孔蚀的主要诱因。大部分孔蚀发生的条件，都是在含氯化物或者氯离子的介质中。具有自动钝化特点的金属，孔蚀敏感程度较高，转化能力更强。

在阳极出现极化的情况下，介质中如果含有氯离子就可以导致金属出现孔蚀，而且伴随氯离子浓度的不断升高，孔蚀电位会出现下降，导致孔蚀出现的概率增加，最终导致孔蚀加剧。在介质中，静止状态下相比较于流动状态，更容易导致孔蚀速度加快。介质流速对于孔蚀而言，在减缓方面可以起到双重的作用并加大流速：一方面，可以帮助溶解氧向金属表面进行输送，致使其快速形成氧化膜；另一方面，可以降低金属表面出现沉淀物的概率，从而减少孔蚀出现的概率[3]。

3.2 预防孔蚀的方法

（1）在压力容器中添加硅、氮等元素，可以改善钢种的性能。耐孔蚀的不锈钢大体分为3 种：奥氏体不锈钢，铁素体—奥氏体双相钢，铁素体不锈钢。在设计时优先应用耐孔蚀的材料。

（2）减少介质中氯离子的含量，在操作时严格禁止漏、滴、冒等情况的出现。

（3）在工艺条件全部允许的情况下，可以添加缓解腐蚀的溶剂，增加钝化膜稳定性，促进受损钝化膜再次钝化。

（4）应用外加阴极的电流保护方法，抑制孔蚀出现。氯离子对不锈钢压力容器所造成的腐蚀，对压力容器的安全性能会造成较大影响。即便在设计时相对比较合理，制造时精准度较高，可以极大程度降低容器自身的缺陷，但应用时间一旦较长，由于掺杂各种不同的复杂因素，容器会出现不同程度的腐蚀。在具体应用过程中需要掌握最基本的措施，对其进行防护，让生产过程具有稳定性。在操作时需要严格按照相应的规定，强化设备的管理工作，对容器进行定期检查，保证容器在规定寿命之内，运行中的安全性能够得到保障[4]。

4 结束语

对压力容器出现腐蚀问题进行解决的方法并不单一，有很多措施可以预防腐蚀现象出现，还可以提升压力容器在运行中的效果以及应用性能。在日后发展过程中，对于氯离子出现腐蚀的问题，还要继续进行深层次的研究，发掘更多的原因对其进行针对性的解决。此外需要注意的是，一部分压力容器由于具有特殊的要求和性能，在对氯离子腐蚀现象进行控制时，需要考虑多方面的因素，不要出现偏离。