工业介质中的腐蚀与防护

第六讲工业介质中的腐蚀与防护工业介质主要指酸、碱、盐和工业水。1.酸介质中的腐蚀与防护2.碱介质中的腐蚀与防护3.盐介质中的腐蚀与防护与防护4.工业水介质中的腐蚀与防护1.酸介质中的腐蚀与防护金属在酸溶液中的腐蚀情况，视其是氧化性酸还是非氧化性酸而具有不同的规律。氧化性酸的腐蚀特点是：在一定浓度范围内，氧化性酸的浓度增加，腐蚀加速；而当酸浓度超过某一临界值时，金属发生钝化，腐蚀速度下降。如硝酸、硫酸等。非氧化性酸的特点是：腐蚀的阴极过程纯粹为氢的去极化过程（即氢离子的还原过程），腐蚀速度随氢离子浓度的增加而上升，如盐酸等。下面讨论盐酸、硝酸、硫酸、有机酸中的腐蚀与防护情况。1.1金属在盐酸中的腐蚀多数常用金属和合金在盐酸中的腐蚀性都很强。如果同时存在空气和氧化剂，则腐蚀条件可能极为恶劣，腐蚀更厉害。特别是含有一定量FeCl3（或氯化铜等氧化性盐类）的热浓盐酸的腐蚀性很强，已成为工业金属和合金以及许多非金属材料不能填补的选材空白，即很难选到经济的耐蚀材料。（1）腐蚀机理盐酸是一种典型非氧化性酸，金属在盐酸中的腐蚀是原电池腐蚀。阳极过程即金属的溶解：M→M2++2e阴极过程是氢离子的还原：2H++2e→2H→H2↑（2）腐蚀影响因素1）金属在盐酸中的腐蚀速度随盐酸浓度增加而上升。2）钢在盐酸中的腐蚀速度还随钢中含碳量的增加而增大。碳钢和铸铁中的碳以Fe3C和石墨的形式存在，杂质越多，腐蚀越严重。几种情况下腐蚀速率的比较原电池腐蚀化学腐蚀CFeFe海水海水大于（3）金属在盐酸中的耐蚀性分类按金属和合金在盐酸中的腐蚀程度，将金属和合金分为两类：1）通常适应于多数用途的金属和合金这类金属和合金有Chromet2①镍钼合金、Chromet3①镍钼铬合金、哈氏合金B、哈氏合金C、Durichlor①含钼高硅铁（①均为美国牌号）、锆、钼和钽（tan）等。其中，Chromet2镍钼合金和哈氏合金B对一切浓度的盐酸，直到沸点以下，都显示良好的耐蚀性，但在充气或有氧化剂存在的情况下，会遭受腐蚀。哈氏合金（Hastelloyalloy）是镍基合金的一种，主要成份为镍铬铁钼，目前主要分为B、C、G三个系列。Durichlor含钼高硅铁在工业中用于中等温度以下和所有浓度的盐酸和粗盐酸，但在沸腾的浓盐酸中迅速腐蚀。钽虽然很贵，但具有很高的强度和非常优良的耐蚀性，因此对于不允许腐蚀的设备如计量装置，可以用钽来制造。2）除了在微量酸中使用外，在其它条件下一般都不适用的金属和合金这类材料主要是钢铁，其次还有锌、镁、锡以及铝和铝合金、铅和铅合金等。另外，非金属材料在盐酸中具有良好的耐蚀性，因此用途广泛。多数塑料和橡胶在它们的使用温度极限之下，适合于所有浓度的盐酸。木材也是用于稀盐酸的一种廉价材料。/盐酸专用汽车槽罐使用硫化橡胶衬里1.2金属在硝酸中的腐蚀硝酸是重要的基本化工原料之一，其生产规模在各种酸的制造上仅次于硫酸。但无论是生产硝酸或是接触硝酸的设备，都会遇到腐蚀问题。因此，硝酸的腐蚀是一个非常普遍的现象。在硝酸中常用的金属材料主要是不锈钢和高硅铁，某些环境下还可以用铁、碳钢及某些非金属材料。1.2.1碳钢在硝酸中的腐蚀当硝酸质量分数低于30%时，碳钢的腐蚀速度随硝酸浓度的增大而增加，为氢的去极化腐蚀。当超过30%时，由于碳钢发生钝化，腐蚀速度降低，在50%时腐蚀速度降到最小。超过85%以后，腐蚀速度又开始上升，发生过钝化现象。由于碳钢在一定浓度的硝酸中会发生钝化作用，因此在室温、一定浓度的硝酸中，如果溶液浓度变化不大的情况下，偶尔也使用碳钢和铸铁，但不是常用材料。/1.2.2不锈钢在硝酸中的腐蚀不锈钢是硝酸系统中大量采用的耐蚀材料，但含铬量（质量分数）应不低于15%，奥氏体18-8不锈钢是用途最广泛的品种，它对25℃以下所有浓度的硝酸及浓度低于60%（质量分数）、沸腾温度以下的稀硝酸都有优良的耐蚀性能。但不锈钢在浓硝酸中，会因过钝化使腐蚀速度增大。除此以外，在某些条件下，还会产生晶间腐蚀、应力腐蚀破裂和小孔腐蚀等局部腐蚀。/1.2.3铝在硝酸中的腐蚀铝对于浓硝酸有突出的耐蚀性能，WHNO3大于80%时，其耐蚀性比不锈钢好得多，所以铝是制造浓硝酸设备的优良材料之一。常用WAl为99.85%以上的工业高纯铝制造处理浓硝酸的设备，如冷却盘管、冷凝管风罩、贮槽、排风筒等。铝的最大缺点是硬度小、强度低，用于制作承受磨损和要求具有一定强度的零部件时，难以胜任。另外，不适当的焊接会降低铝制设备的耐蚀性。/1.2.4钛在硝酸中的腐蚀钛对一切浓度及温度高于正常沸点的硝酸有突出的耐蚀性，不仅在常压下使用，而且在一定压力下仍保持优良耐蚀性，钛在发烟硝酸中的耐蚀性也非常好。但钛在很浓的红发烟硝酸或N2O4中可能产生应力腐蚀（如阿波罗登月飞船的高能燃料N2O4贮存在钛合金高压容器中，由于N2O4含有微量氧造成应力腐蚀，加入0.6％的NO之后得以解决）。另外，钛在含NO2多、含水量少的红发烟硝酸中有自燃倾向，因此当酸中WH2O低于1.5%、WNO2高于2.5%时，一般不推荐使用钛。/1.2.5非金属材料在硝酸中的腐蚀许多非金属材料都具有优良的耐硝酸腐蚀性能，但因一般不锈钢能解决大部分硝酸腐蚀问题，所以应用不多。如聚四氟乙烯广泛用于硝酸输送泵的机械密封上。/1.3金属在硫酸中的腐蚀硫酸目前是世界上产量最大的化学制品，在硫酸的生产和使用过程中都会遇到硫酸的腐蚀问题。解决硫酸的腐蚀问题，最重要和最常用的方法是选择合适的耐蚀材料（包括用耐腐蚀衬里）。作为耐硫酸用的材料，广泛采用的金属是铝和铝合金、高硅铸铁及碳钢。1.3.1钢铁在硫酸中的腐蚀铁在稀硫酸中，腐蚀速度随硫酸浓度的增大而增加，当WH2SO4达到50%时，由于钝化作用，腐蚀速度迅速下降，最后达到最低值。但酸浓度超过100%以后，随过剩SO3含量的增加（发烟硫酸），腐蚀速度又开始增大，在一定浓度时出现第二个最大值，SO3含量继续增加，腐蚀速度又下降。铸铁和铁类似，在WH2SO4为80%100%时非常稳定，但在浓度高于125%的发烟硫酸中，由于铸铁中的硅和石墨被发烟硫酸氧化而产生晶间腐蚀。普通碳钢广泛用于浓度大于70%以上的硫酸，钢制贮槽、管道、槽车和酸桶普遍用来处理78%、93%、98%硫酸和发烟硫酸，用高硅铸铁制造泵、阀、换热器、硫酸浓缩器加热管、槽出口等。/1.3.2铅在硫酸中的腐蚀在稀硫酸中由于铅表面生成一层致密并结合牢固的硫酸铅保护膜，因而具有特别高的耐蚀性能。但在热的浓硫酸中，腐蚀速度会大大增加，其原因是硫酸铅在较高温度和浓度下的硫酸中非常易于溶解，反应式为：PbSO4+H2SO4→Pb(HSO4)2由于铅很软，机械强度低，一般很少在大型设备中单独用作结构材料，而多数作衬里材料。铅中若加Wsb为6%13%的锑，形成铅锑合金（称为硬铅），则适用于制造强度要求高的制件（如耐酸泵、阀等），但耐蚀性能比纯铅低些。当然，铅是一种贵重的有色金属材料，而且有毒，因此已被大量非金属材料，如玻璃钢、聚氯乙烯所代替。/1.3.3铝在硫酸中的腐蚀铝在稀硫酸和发烟硫酸，特别当三氧化硫含量高时稳定，但在中等浓度的硫酸中却不稳定。/1.3.4非金属材料在硫酸中的腐蚀硬聚氯乙烯塑料在中等浓度（WH2SO450%）60℃硫酸中具有良好的耐蚀性能，在60℃、90%以下浓硫酸中也可使用。陶瓷能耐任何浓度沸腾硫酸的腐蚀，大型设备的钢制壳体常用陶瓷砖板作衬里。砖板衬里设备的耐硫酸腐蚀性能主要决定于胶泥。酚醛树脂酚醛树脂防腐材料对浓度小于70%的硫酸、任何浓度的盐酸、氢氟酸、醋酸、大部分有机酸及大多数有机溶剂、二氧化硫、氯化氢及大部分pH7的酸性盐类等均耐蚀。用于玻璃钢衬里、砖板衬里。/酚醛胶泥衬砌酚醛浸渍石墨板防腐蚀1.4金属在有机酸中的腐蚀有机酸是弱酸，虽然对金属的腐蚀性不象无机酸那样强，但也对金属有一定的腐蚀性，若有氧化剂存在，会使腐蚀速度增加。（1）甲酸（蚁酸）是有机酸中最强的酸之一，腐蚀性也最大。普通碳钢、铝一般不能用于制作处理甲酸的设备。铜与铜合金是甲酸介质中用得较广泛的金属材料，不同类型的不锈钢则在一定的温度和浓度范围内使用。（2）乙酸是一种非氧化性酸，低温下腐蚀性很小，但随温度的上升，腐蚀速度迅速上升。另外，当乙酸中存在杂质时，会对金属的腐蚀有显著影响。如Cl-存在，不锈钢产生孔蚀，有甲酸共存时，腐蚀速度显著增大。（3）除甲酸、乙酸外，还有柠檬酸、乳酸、马来酸、环烷酸、脂肪酸、酒石酸等，它们对金属有不同程度的腐蚀作用。/1.5防止金属在酸介质中腐蚀的措施1.5.1选择耐蚀材料这是防止金属在酸中腐蚀常用的方法，根据金属所处酸的浓度、温度等条件，选择相应的耐蚀材料（包括金属材料和非金属材料）。如稀硝酸中可选用奥氏体不锈钢。1.5.2橡胶衬里橡胶衬里是选取一定厚度的片状耐蚀橡胶料，通过粘接剂贴合在基体的给定表面，形成连续完整的保护覆盖层，隔离腐蚀介质对基体的作用，达到防腐蚀的目的。衬里用的橡胶品种主要有：天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶等。株洲电厂脱硫塔内衬丁基橡胶1.5.3玻璃钢及衬里玻璃钢是一种用玻璃纤维增强的塑料，通常化工设备防腐用的较多。1.5.4砖板衬里即用耐腐蚀胶泥衬砌耐腐蚀砖板在金属设备的内壁，使腐蚀介质与设备基体隔离。胶泥是砖板衬里施工中的重要材料，对其正确选用是保证衬里设备获得良好防腐效果的关键。材料与时代的发展补充：高分子概念及分类石器时代青铜器时代铁器时代钢铁时代高分子时代塑料纤维橡胶功能高分子材料等高分子：是相对分子量一般为104106、由许多相同的简单结构单元通过共价键（有些以离子键）有规律重复连接而成的一类化合物，因此高分子又称聚合物；例如聚乙烯和聚氯乙烯等。[CH2CH2]n高分子的特征1、可塑性：加热后可以熔化，冷却后可以固化；2、不挥发性：不可以通过蒸馏法提纯；3、有一定的机械强度4、具有电绝缘性5、有充分的弹性。按聚集态的紧密和规整程度，聚合物可分为非结晶（无定形）、结晶和介晶（包括液晶）三类。液晶是液相（非晶态）和晶相之间的中介相。它既保持了晶态的有序性，同时又具有液态的连续性和流动性，是一种兼具晶体和液体的部分性质的过渡状态。纤维橡胶（弹性体）塑料涂料粘合剂功能高分子材料高分子按性能和用途分：（1）纤维分天然和合成纤维两种。合成纤维是一类高抗形变聚合物，伸长率低于10%～50%，如聚丙烯腈、聚酯等。优点：强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀和不怕虫蛀等。缺点：吸水性和透气性不如天然纤维。常见合成纤维：锦纶（聚己内酰胺，尼龙-6）、涤纶（的确良，聚对苯二甲酸乙二醇酯）、腈纶（人造羊毛，聚丙烯腈）、维纶、氯纶、丙纶。（2）橡胶（弹性体）是一类具有在比较低的应力下就可以达到很大可逆应变（伸长率可高达500%～1000%）性能的聚合物。如聚异戊二烯、聚异丁烯等。（3）塑料是介于纤维与弹性体之间，具有多种机械性能的一大类聚合物。塑料和橡胶可以相互转化，即当温度升高到玻璃化转变温度时，塑料变成橡胶；当温度降低到玻璃化转变温度时，橡胶变成硬而脆的塑料。塑料的分类及特点1）按热性能分类热塑性塑料—加热时软化，可塑造成型，冷却后复硬，可反复进行。优点：加工成型简便，机械性能较好，是塑料中性能较好的工程塑料。缺点：耐热性和刚性较差。典型品种：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚等。热固性塑料—初加热时软化，可塑造成型，固化后再加热不再软化，不溶于溶剂。优点：耐热性好，受压不易变形。缺点：机械性能不好。典型品种：酚醛，环氧，氨基，不饱和聚酯，聚硅醚树脂等。2）按使用范围分通用塑料：应用范围广，生产量大，价廉如：聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚烯烃，酚醛塑料和氨基塑料等。工程塑料：综合工程性能（机械性能，耐热耐寒性能，耐蚀性和绝缘性等）良好。如：聚甲醛，聚酰胺，聚碳酸酯，ABS塑料（丙烯腈丁二烯苯乙烯三元共聚物）等。特殊塑料：可在较高温度下工作（100～200℃），耐蚀不燃。如：聚四氟乙烯（F-4/塑料王：可在-180～260℃内长期使用；耐沸腾的王水；摩擦系数仅0.04；不粘水、不吸水；是介电常数和介电