氯離子對壓力容器腐蝕的影響及預防方法分析

尉海晶，龔 博，劉 瑞，仙笑笑

（潞安化工機械（集團）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，導致產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的性能，機械性能較好，主要原因是不銹鋼表面出現鎳、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強也會面臨破壞的危險，因此針對氯離子對于壓力容器造成腐蝕的影響，進行深層次的研究以及分析，并提出有針對性的方法對其解決，具備極其重要的現實價值。

1 氯離子腐蝕壓力容器的機理

1.1 吸附理論

有關氯離子腐蝕壓力容器的機理，一種普遍認可程度較高的理論即吸附理論。此理論是以對氯離子自身的研究作為基礎，與成相膜理論存在一定程度的差別。吸附理論指出，氯離子會對壓力容器產生程度較大的腐蝕，氯離子對于金屬有很強大的吸附能力，即金屬可以自動吸收氯離子。一旦金屬表面附著大量的氯離子，金屬表面的氧化膜就會產生破壞、消耗，最終可能完全消解掉。一旦完全消解氯離子就會完全取代金屬表面原有的鈍化離子，并與金屬發生化學反應，產生較多的氯化物。氯化物化學性質不穩定，極容易出現可溶性物質，給壓力容器在腐蝕方面帶來極大的影響。氯離子對于壓力容器會造成不同程度的腐蝕，且影響腐蝕程度相對較大，不論是從哪一種理論進行研究，都需要從客觀實際的角度出發，對其制定出有針對性的措施進行預防和解決。

1.2 成相膜理論

氯離子會對壓力容器造成不同程度的腐蝕，這是一個普遍現象，但是腐蝕如何形成，是新時期對其進行研究的重點課題。成相膜理論針對氯離子在腐蝕原因方面展開深層次的研究，在現階段得到普遍認同。支持成相膜理論的人認為，氯離子半徑相對較小，因此氯離子在穿透性方面的性能較強，氯離子一旦處于游離狀態，氧化膜內部的細小孔隙極易被其穿透，在穿透之后就會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大，就會導致金屬表面的氧化膜結構發生不同程度的改變，從而出現腐蝕。成相膜理論相對比較貼合實際，因為發生化學反應的確是導致腐蝕出現的主要誘因，在日后的研究分析中可以以成相膜理論為基礎，對壓力容器抗腐蝕的方法進行研究探討。

2 應力腐蝕失效以及預防的方法

2.1 應力腐蝕發生失效的機理

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

壓力容器中應力的主要來源：①在容器外表面由于外荷載所引起的拉應力；②壓力容器在制造生產過程中，出現的各種不同程度的殘余應力，例如在裝配時會出現裝配殘余應力，在制造時會出現焊接殘余應力。化工行業在生產過程中，壓力容器可以接觸到不同形式的介質，大部分介質中都包含氯離子，壓力容器極易出現應力腐蝕失效現象。

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，金屬表面會產生氧化膜，可以有效防止出現腐蝕，導致不銹鋼出現鈍化現象。因為壓力容器自身的拉應力、保護膜厚度增加所導致的附加應力，會致使局部保護膜破裂，破裂位置的基體金屬直接暴露在腐蝕介質中，此處電極電位相較于保護膜完整情況下低，從而導致微電池出現陽極，最終形成陽極溶解。由于陰極大、陽極小，所以陽極在溶解時的速度極快，腐蝕出現一定程度之后會形成一層新的保護膜，但是由于拉應力的作用又會重新被破壞，再重新形成新的陽極溶解。保護膜在反復形成—破裂的過程中，局部某些腐蝕狀況急劇加深，最終造成孔洞；而孔洞又會導致應力集中，急劇加速孔洞表面的塑性變形和保護膜破裂，在拉應力和腐蝕介質相互作用下，最終導致應力腐蝕裂紋的出現[1]。

2.2 防止出現應力腐蝕失效的措施

要針對應力腐蝕進行科學、合理的控制，就需要從內在因素著手，合理選擇材料，再從外部因素著手，對電位、介質、應力等進行控制。具體進行時需要按照實際情況具體應用。

（1）應用耐應力腐蝕的材料。近些年耐應力腐蝕的壓力容器出現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，其中抗應力腐蝕性能最好的是鐵素體-奧氏體雙相鋼。

（2）對各種應力進行科學合理的控制。對壓力容器進行具體裝備時，需要盡量降低應力集中的情況，和介質接觸的部位具有最小程度的殘余應力，避免出現劃傷、磕碰，在焊接時嚴格遵守工藝標準。

（3）在操作時嚴格遵循相關標準。工藝條件、操作會在壓力容器腐蝕方面造成不同程度的影響，需嚴格控制原料成分、壓力、流速、pH 值、介質溫度等工藝指標。在工藝條件規定的范圍之內，可以添加適當的緩蝕劑。在溶解含氧氯化物時，如果應用到鎳鉻不銹鋼，需要氧的質量分數低于0.001‰。此外，在水中氯離子的質量分數如果為0.5‰，只需要添加質量分數分別為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護維修。為了讓壓力容器在長期運行中的安全性得到合理保障，需要對于壓力容器相關的法規條例進行嚴格執行，壓力容器在具體應用過程中，對其存在的缺陷必須展開嚴格檢查，實時獲取壓力容器運行過程中缺陷的具體情況，并采取合理措施進行解決，最大限度降低設備出現腐蝕的概率[2]。

3 孔蝕失效以及預防方法

3.1 孔蝕失效原因

導致孔蝕出現的因素較多，溫度、pH 值、介質性質、表面狀態、合金或金屬的性質等，都是導致孔蝕的主要誘因。大部分孔蝕發生的條件，都是在含氯化物或者氯離子的介質中。具有自動鈍化特點的金屬，孔蝕敏感程度較高，轉化能力更強。

在陽極出現極化的情況下，介質中如果含有氯離子就可以導致金屬出現孔蝕，而且伴隨氯離子濃度的不斷升高，孔蝕電位會出現下降，導致孔蝕出現的概率增加，最終導致孔蝕加劇。在介質中，靜止狀態下相比較于流動狀態，更容易導致孔蝕速度加快。介質流速對于孔蝕而言，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沉淀物的概率，從而減少孔蝕出現的概率[3]。

3.2 預防孔蝕的方法

（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。在設計時優先應用耐孔蝕的材料。

（2）減少介質中氯離子的含量，在操作時嚴格禁止漏、滴、冒等情況的出現。

（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，增加鈍化膜穩定性，促進受損鈍化膜再次鈍化。

（4）應用外加陰極的電流保護方法，抑制孔蝕出現。氯離子對不銹鋼壓力容器所造成的腐蝕，對壓力容器的安全性能會造成較大影響。即便在設計時相對比較合理，制造時精準度較高，可以極大程度降低容器自身的缺陷，但應用時間一旦較長，由于摻雜各種不同的復雜因素，容器會出現不同程度的腐蝕。在具體應用過程中需要掌握最基本的措施，對其進行防護，讓生產過程具有穩定性。在操作時需要嚴格按照相應的規定，強化設備的管理工作，對容器進行定期檢查，保證容器在規定壽命之內，運行中的安全性能夠得到保障[4]。

4 結束語

對壓力容器出現腐蝕問題進行解決的方法并不單一，有很多措施可以預防腐蝕現象出現，還可以提升壓力容器在運行中的效果以及應用性能。在日后發展過程中，對于氯離子出現腐蝕的問題，還要繼續進行深層次的研究，發掘更多的原因對其進行針對性的解決。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，在對氯離子腐蝕現象進行控制時，需要考慮多方面的因素，不要出現偏離。