氯離子對不銹鋼的腐蝕解析

問題描述：對于奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下的腐蝕，各種權(quán)威的書籍均有嚴(yán)格的要求，氯離子含量要小于25ppm，否則就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕。但是事實上在工程應(yīng)用中我們有很多高濃度的氯離子含量的情況下在使用奧氏體不銹鋼，因些分析氯離子對不銹鋼的腐蝕，采取預(yù)防措施，延長使用壽命，或合理選材。

內(nèi)容：Cr和Ni是不銹鋼獲得耐腐蝕性能最主要的合金元素。Cr和Ni使不銹鋼在氧化性介質(zhì)中生成一層十分致密的氧化膜,使不銹鋼鈍化,降低了不銹鋼在氧化性介質(zhì)中的腐蝕速度,使不銹鋼的耐腐蝕性能提高。氯離子的活化作用對不銹鋼氧化膜的建立和破壞均起著重要作用，由于氯離子半徑小,穿透能力強(qiáng),故它最容易穿透氧化膜內(nèi)極小的孔隙,到達(dá)金屬表面,并與金屬相互作用形成了可溶性化合物,使氧化膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,金屬產(chǎn)生腐蝕。氯離子破壞氧化膜的根本原因是由于氯離子有很強(qiáng)的可被金屬吸附的能力,它們優(yōu)先被金屬吸附,并從金屬表面把氧排掉。因為氧決定著金屬的鈍化狀態(tài),氯離子和氧爭奪金屬表面上的吸附點,甚至可以取代吸附中的鈍化離子與金屬形成氯化物,氯化物與金屬表面的吸附并不穩(wěn)定,形成了可溶性物質(zhì),這樣導(dǎo)致了腐蝕的加速。

電化學(xué)方法研究不銹鋼鈍化狀態(tài)的結(jié)果表明,氯離子對金屬表面的活化作用只出現(xiàn)在一定的范圍內(nèi),存在著1個特定的電位值,在此電位下,不銹鋼開始活化。這個電位便是膜的擊穿電位,擊穿電位越大,金屬的鈍態(tài)越穩(wěn)定。因此,可以通過擊穿電位值來衡量不銹鋼鈍化狀態(tài)的穩(wěn)定性以及在各種介質(zhì)中的耐腐蝕能力。不銹鋼的腐蝕失效分析：

1、應(yīng)力腐蝕失：不銹鋼在含有氧的氯離子的腐蝕介質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕失效所占的比例高達(dá)45%左右。常用的防護(hù)措施：合理選材,選用耐應(yīng)力腐蝕材料主要有高純奧氏體鉻鎳鋼,高硅奧氏體鉻鎳鋼,高鉻鐵素體鋼和鐵素體—奧氏體雙相鋼。其中,以鐵素體—奧氏體雙相鋼的抗應(yīng)力腐蝕能力最好。控制應(yīng)力：裝配時,盡量減少應(yīng)力集中,并使其與介質(zhì)接觸部分具有最小的殘余應(yīng)力，防止磕碰劃傷,嚴(yán)格遵守焊接工藝規(guī)范。嚴(yán)格遵守操作規(guī)程：嚴(yán)格控制原料成分、流速、介質(zhì)溫度、壓力、pH值等工藝指標(biāo)。在工藝條件允許的范圍內(nèi)添加緩蝕劑。鉻鎳不銹鋼在溶解有氧的氯化物中使用時,應(yīng)把氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到1.0×10-6以下。實踐證明,在含有氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為500.0×10-6的水中,只需加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150.0×10-6的硝酸鹽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5×10-6亞硫酸鈉混合物,就可以得到良好的效果。

2、孔蝕失效及預(yù)防措施

小孔腐蝕一般在靜止的介質(zhì)中容易發(fā)生。蝕孔通常沿著重力方向或橫向方向發(fā)展,孔蝕一旦形成,即向深處自動加速。不銹鋼表面的氧化膜在含有氯離子的水溶液中便產(chǎn)生了溶解，結(jié)果在基底金屬上生成孔徑為20μm～30μm小蝕坑,這些小蝕坑便是孔蝕核。只要介質(zhì)中含有一定量的氯離子,便可能使蝕核發(fā)展成蝕孔。常見預(yù)防措施：在不銹鋼中加入鉬、氮、硅等元素或加入這些元素的同時提高鉻含量。降低氯離子在介質(zhì)中的含量。加入緩蝕劑,增加鈍化膜的穩(wěn)定性或有利于受損鈍化膜得以再鈍化。采用外加陰極電流保護(hù),抑制孔蝕。

3.點腐蝕：由于任何金屬材料都不同程度的存在非金屬夾雜物，這些非金屬化合物，在Cl離子的腐蝕作用下將很快形成坑點腐蝕，在閉塞電池的作用，坑外的Cl離子將向坑內(nèi)遷移，而帶正電荷的坑內(nèi)金屬離子將向坑外遷移。在不銹鋼材料中，加Mo的材料比不加Mo的材料在耐點腐蝕性能方面要好，Mo含量添加的越多，耐坑點腐蝕的性能越好。

4.縫隙腐蝕

縫隙腐蝕與坑點腐蝕機(jī)理一樣，是由于縫隙中存在閉塞電池的作用，導(dǎo)致Cl離子富集而出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象。這類腐蝕一般發(fā)生在法蘭墊片、搭接縫、螺栓螺帽的縫隙，以及換熱管與管板孔的縫隙部位，縫隙腐蝕與縫隙中靜止溶液的濃縮有很大關(guān)系，一旦有了縫隙腐蝕環(huán)境，其誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕的幾率是很高的。

總結(jié)1：幾種不銹鋼在含氯(Cl—)水溶液中的適用條件一、板片材料的選用（1）注：不含氣體、PH值為7(即中性)、流動的含氯水溶液。

^0G6n-n&y(c&h（2）奧氏體不銹鋼對硫化物(SO2、SO3)腐蝕有一定的抗力。但是，Ni含量越高，耐蝕性將降低（因生成低熔點NiS）,可能引起硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。硫化物應(yīng)力腐蝕開裂同材料的硬度有關(guān)，奧氏體不銹鋼的硬度應(yīng)≤HB228；Ni-Mo或Ni–Mo–Cr合金的硬度不限；碳素鋼的硬度應(yīng)≤HB225；（3）必須注意板片材料與墊片或膠粘劑的相容性。例如，應(yīng)避免將含氯的墊片或膠粘劑（如氯丁橡膠或以其為溶質(zhì)的膠粘劑）與不銹鋼板片組配,或者將氟橡膠、聚四氟乙烯（PTFE）墊片與鈦板板片組配；

二、板片常用材料的特點及適用條件

$s:A:c:F*K!c（1）304型不銹鋼：這是最廉價、最廣泛使用的奧氏體不銹鋼（如食品、化工、原子能等工業(yè)設(shè)備）。適用于一般的有機(jī)和無機(jī)介質(zhì)。例如，濃度＜30％、溫度≤100℃或濃度≥30％、溫度＜50℃的硝酸；溫度≤100℃的各種濃度的碳酸、氨水和醇類。在硫酸和鹽酸中的耐蝕性差；尤其對含氯介質(zhì)(如冷卻水)引起的縫隙腐蝕最敏感。在含氯水溶液中的適用條件,見表1-34。PRE為19。

1w7Q2o&w.q-G0H&_（2）304L型不銹鋼：耐蝕性和用途與304型基本相同。由于含碳量更低（≤0.03％），故耐蝕性（尤其耐晶間腐蝕,包括焊縫區(qū)）和可焊性更好，可用于半焊式或全焊式PHE。1D"i#~$f;z7I3O7^6v,n3]（3）316型不銹鋼：適用于一般的有機(jī)和無機(jī)介質(zhì)。例如,天然冷卻水、冷卻塔水、軟化水；碳酸；濃度＜50％的醋酸和苛性堿液；醇類和丙酮等溶劑；溫度≤100℃的稀硝酸（濃度＜20％＝、稀磷酸（濃度＜30％＝等。但是,不宜用于硫酸。由于約含2％的Mo，故在海水和其他含氯介質(zhì)中的耐蝕性比304型好,完全可以替代304型,見表1-34。PRE為25。

（4）316L型不銹鋼)S9M:耐蝕性和用途與316型基本相同。由于含碳量更低（≤0.03％），故可焊性和焊后的耐蝕性也更好，可用于半焊式或全焊式PHE。PRE為25。

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（5）317型不銹鋼:適合要求比316型使用壽命更長的工況。由于Cr、Mo、Ni元素的含量比316型稍高，故耐縫隙腐蝕、點蝕和應(yīng)力腐蝕的性能更好。PRE為30。（6）AISI904L或SUS890L型不銹鋼:是一種兼顧了價格與耐蝕性的高性價比的奧氏體不銹鋼，其耐蝕性比以上幾種材料好,特別適合一般的硫酸、磷酸等酸類和鹵化物（含Cl—、F—）。由于Cr、Ni、Mo含量較高，故具有良好的耐應(yīng)力腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕性能。在含氯介質(zhì)中的適用條件,見表1-34。PRE為36。7）Avesta254SMO高級不銹鋼:這是一種通過提高M(jìn)o含量對316型進(jìn)行了改進(jìn)的超低碳高級不銹鋼，具有優(yōu)良的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能，適用于不能用316型的含鹽水、無機(jī)酸等介質(zhì)。在含氯介質(zhì)中的適用條件,見表5-11。PRE為47。8）Avesta654SMO高級不銹鋼:這是一種Cr、Ni、Mo、N含量均高于254SMO的超低碳高級不銹鋼,耐氯化物腐蝕的性能比254SMO更好,可用于冷的海水。PRE為64。

2w7{-m'R8K&L,\（9）RS-2（OCr20Ni26Mo3Cu3Si2Nb）不銹鋼;這是一種國產(chǎn)的Cr–Ni–Mo-Cu不銹鋼。耐點蝕和縫隙腐蝕的性能相當(dāng)于316型，而耐應(yīng)力腐蝕的性能更好?？捎糜?0℃以下的濃硫酸（濃度90~98％），年腐蝕率≤0.04mm/a。PRE為29。

%w+~1P/}:T2|（10）Incoloy825(S):這是一種Ni（40％）–Cr（22％）–Mo（3％）高級不銹鋼。Incoloy是theInternationalNickelCo.公司的注冊商標(biāo)。適用于低溫下各種濃度的硫酸；在濃度為50％~70％的苛性堿（如NaOH）溶液中,具有良好的耐蝕性,不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。但是,對氯化物引起的縫隙腐蝕卻很敏感。此外,沖壓性能也不太好,故不是板片常用的材料。PRE為32三、幾種國外耐蝕合金的新品種（1）31合金：由904L改進(jìn)后的（提高M(jìn)o、N含量）、標(biāo)準(zhǔn)的6％Mo高級不銹鋼(31％Ni-27％Cr-6.5％Mo-32％Fe)。在許多介質(zhì)中的耐蝕性比904L更好；在濃度20％~80％、溫度60℃~100℃的硫酸中,耐蝕性能甚至超過C-276。PRE為34。2）33合金：一種完全奧氏體化的鉻基高級不銹鋼，其耐蝕性可與Inconel625等一些Ni-Cr-Mo合金媲美。在酸性和堿性介質(zhì)(包括硝酸、硝酸與氫氟酸的混合物)中，具有良好的耐局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的性能；在濃硝酸中的耐蝕性比304L好得多。例如,適用于濃度大于96％~99％、溫度≤150℃、氧化硫含量小于200mg/L的硫酸；熱的海水；濃度≤50％、沸騰的強(qiáng)腐蝕性溶液；濃度≤85％、溫度≤150℃的磷酸等。但是,不適用于還原性介質(zhì)(如稀硫酸等)。價格與C-276相差不多。PRE為50。（3）C-2000合金：一種二十世紀(jì)90年代研發(fā)的鎳基合金,價格與C-276相近,是以上材料中耐腐蝕性能最好者之一。在中等濃度以下的硫酸、稀鹽酸和沸騰溫度下,濃度≤50％的磷酸,以及熱的氯化物等介質(zhì)中，其耐蝕性比C-276和C-22更好,有取代C-22合金的趨勢。但是,對于濃度≥