電解液管路腐蝕特點及實例分析

摘要： 目前國內制造燒堿的方法主要有兩種，一種方法是離子膜電解法，另一種方法是隔膜電解法。他們的原理相同，但兩種方法生產出來的電解液的成分不同。所以，兩種電解液的管道及設備的腐蝕情況不盡相同。

關鍵詞： 電解液 離子膜 隔膜 奧氏體不銹鋼

1.導言

無論是離子膜電解法還是隔膜電解法它們都有相同的化學反應方程式：

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Cl2 +H2

下面分別介紹隔膜法電解的原理及電解液、氫氣、氯氣的分離過程，從中找出導致兩種電解液成分不同的原因。

隔膜電解法

原理：隔膜電解就是用隔膜電解槽（即在電解槽陰陽極之間設置一層隔膜）進行電解生產，其陽極為石墨陽極或金屬陽極，陰極為鐵陰極。當直流電通過飽和食鹽水溶液時，在陽極上產生氯氣，在陰極上產生氫氣和氫氧化鈉。

產品分離過程：電解槽的陰陽極之間設置多孔的隔膜，把電解槽分為陽極室和陰極室兩部分。隔膜是一種多孔的隔層，它能讓電流通過，但能阻止陰陽極電解產物的混合。因此，在隔膜電解槽陽極產生的氯氣，不能進入陰極室，經陽極室上方的氯氣支管導出；在陰極上產生的氫氣，不能進入到陽極室，由陰極箱氫氣支管導出，電解液經陰極箱下方被導出。這樣就達到隔離和分解電解產物的目的。

離子膜電解法

原理：離子膜法電解生產過程中，陽離子交換膜安裝在陽極和陰極之間。作為電解質，鹽水和堿液分別在陽極室和陰極室循環，當電解槽通入直流電時，食鹽水溶液發生電解，在陽極上產生氯氣，在陰極上產生氫氣和氫氧化鈉。

產品的分離過程：離子膜法電解生產中使用的離子膜，不僅起到阻止陰、陽極電解產物混合的作用，更重要的是使鈉離子選擇性透過離子膜，阻止與Cl - 的滲透（遷移）和OH- 的反滲透。離子交換膜帶有負電荷，陽極室內的鈉離子帶有正電荷，由于二者的親合性，鈉離子能夠順利地透過離子交換膜而到陰極區去，在那里遇到OH- 即形成NaOH，而Cl- 和OH- 帶有與膜相同的負電荷，因而被膜排斥無法通過。這樣可以得到較高純度的NaOH。陰極產生的NaOH和H2 ，陽極產生的Cl2 和淡鹽水經陰、陽極分離器分離，氯氣和氫氣進入到各自的管道，成品堿進入到成品堿儲罐，淡鹽水進入到淡鹽水循環罐循環使用。

2.離子膜堿、隔膜堿出口溫度、組分及含鹽量對比

從電解液質量組分對比情況看離子膜堿主要由NaOH和純水組成，只含極少量的NaCL，而隔膜堿中除含NaOH以外，還含有大量的NaCl，綜上可知，隔膜堿所選用管道及設備的材料既要耐燒堿的腐蝕還要耐鹽水的腐蝕。

3.燒堿腐蝕與鹽水腐蝕的特點

燒堿是一種強堿，在常溫下腐蝕不嚴重，但在高溫和應力存在下對許多金屬產生嚴重腐蝕。鋼鐵在常溫、較稀的氫氧化鈉溶液中，表面產生堅固的保護膜，所以在工業生產和貯運低濃度常溫氫氧化鈉溶液或固體時，用途很廣泛。當濃度高于30%，溫度高于800C時，鋼鐵的腐蝕迅速增加，溫度越高，腐蝕越嚴重，承受應力的部件（如焊接設備焊縫附近的殘余應力區）就容易發生危險的的應力腐蝕破裂——堿脆。

氯化鈉是食鹽的學名，是天然存在的最多的化學物質之一。大多數金屬在氯化鈉溶液中的腐蝕率雖然遠比在一些酸中小，但是氯化鈉對金屬的腐蝕卻不容忽視。因為它不僅廣泛運用于工業生產中，而且普遍存在于自然界中（如海水）和它接觸的材料數量非常巨大。二則雖然有些金屬在氯化鈉溶液中均勻腐蝕率不太高，但容易產生危險的孔蝕或應力腐蝕破裂，像著名的耐腐蝕材料不銹鋼就有這種危險。此外，充氣作用、高速運動、湍流、電偶作用、雜散電流作用、過低的PH值，都會使金屬在氯化鈉溶液中的腐蝕顯著增大。

4.隔膜電解液管道腐蝕情況

04年我公司對隔膜電解液管道進行了改造，將原來選用的碳鋼管改為不銹鋼（316型），因為（316型）不銹鋼屬于鉻鎳不銹鋼，它適用于中等濃度和中等溫度的堿液，并且在離子膜電解液管道上也是廣泛使用。這次改造意在延長管道的使用壽命。但是，改造后的管道在使用后一個月內就發生了嚴重的泄漏。泄漏首先發生在電解液管道的焊接接口的熱影響區附近。這是由于熱影響區內的淬硬傾向大，存在焊接殘余應力，同時隔膜電解液中又存在著大量的氯離子，所以，在管道的焊接接口附近發生氯離子“應力腐蝕破裂”。發生應力腐蝕破裂的臨界氯離子濃度隨溫度的上升而減小，高溫下，氯離子濃度只要達到10-6mg/kg （ppm），即能引起破裂。發生應力腐蝕破裂的臨界溫度為70 0C。（隔膜堿出口溫度：90-105℃）不銹鋼應力腐蝕裂紋是典型的的枯樹枝狀穿晶型裂紋。這種現象很快就發展到管道的每一道焊縫，并且裂紋的尖端由于存在很大的應力，所以，裂紋擴展速度很快，腐蝕進一步加劇。與此同時，管道終端的盲板也出現了嚴重的腐蝕，腐蝕形式為盲板處發現多處孔洞，從而可以判定該腐蝕為“孔蝕”。“孔蝕”發生是因為不銹鋼是容易鈍化的金屬，電解液中溶解的氧促成產生鈍化膜，但由于隔膜電解液中含有大量的氯離子，而氯離子卻能引起鈍化膜的局部破損。鈍化膜的微小破口和周圍大面積的膜構成“鈍化—活化電池”，引起破口電流高度集中，產生孔蝕。電解液中溶解的氧，特別是強烈的去極劑三氯化鐵，將加速電池的工作。使不銹鋼在幾個月或更短的時間內發生穿孔。綜上所述，氯離子造成的“應力腐蝕破裂”和“孔蝕”是造成隔膜電解液管道腐蝕的根本原因。

除氯離子造成的“應力腐蝕破裂”和“孔蝕”以外，還有雜散電流的腐蝕促進和加快了腐蝕進度。雜散電流的產生是隨隔膜電解液一起進入到電解液管道。

5.電解液管道的選材

離子膜電解液管道選用316L和304兩種，離子膜電解槽到成品堿罐的管道選用316L，成品堿罐到燒堿蒸發的管道選用304，離子膜電解液成品堿泵使用316L。 這是因為鉻鎳不銹鋼適用于中等濃度和中等溫度的堿液，如：1000C和50%以下的堿液。

4.結語

本文介紹了氯堿行業廣泛使用的兩種電解食鹽法所生產的電解液的腐蝕情況，通過生產的實際使用，結合經驗教訓。通過對隔膜電解液腐蝕特點的分析，將提高隔膜系統生產的穩定，有利于電解系統長周期安全穩定的運行。但由于作者水平有限，文章中出現錯誤再所難免，還請讀者見諒。

參考文獻

腐蝕數據與選材手冊 化學工業出版社，2004年

防腐蝕技術及應用實例 化學工業出版社，2002年

壓力管道安全技術 東南大學出版社，2001年

作者簡介

鄭芳 （1980-），工程師，2003年7月畢業于沈陽化工學院機械工程學院過程裝備與控制工程專業，現任天津大沽化工投資發展有限公司 設計所 設計員。