压力容器电化学腐蚀

黄河水利职业技术学院毕业论文（设计）报告题目：电化学腐蚀对压力容器在化工生产中的影响与防护学生：高松指导教师：李玉静专业：应用化工技术班级：应用化工09012012年05月20日黄河水利职业技术学院学生论文（毕业）设计指导教师意见设计课题：电化学腐蚀对压力容器在化工生产中的影响与防护指导教师意见：是否同意参加答辩：同意（）不同意（）指导教师签名：摘要金属与环境组分发生化学反应而引起的表面破坏被称为金属腐蚀。对化工工业里的压力容器影响很大，目前腐蚀问题已成为阻碍化工领域高新技术发展和国民经济持续发展的重要制约因素，它不仅会造成经济损失,还会带来惨重的人员伤亡、环境污染、资源浪费,阻碍新技术的发展、促进自然资源的损耗，因此压力容器腐蚀的防治工作十分重要。本文就金属的电化学腐蚀主要类型机理展开讨论,从而针对不同的机理归纳出不同的防治方法,分别加以说明，以求寻找腐蚀防护和腐蚀控制的最佳方法，从而确保压力容器在石油化工生产中安全、正常运行．关键词：金属腐蚀与防护电化学保护法压力容器目录摘要.…………………………………………………………………1.引言…………………………………………………………………2.金属腐蚀的分类……………………………………2.1按腐蚀过程的历程分类2.1.1物理腐蚀(PhysicalCorrosion)2.1.2化学腐蚀(ElectrochemicalCorrosion)2.1.3电化学腐蚀(ElectrochemicalCorrosion)2.2按腐蚀的形式分类2.2.1全面腐蚀也叫均匀腐蚀2.2.2局部腐蚀是指腐蚀发生在金属表面的某个区域2.3按照腐蚀的环境分类3.影响金属腐蚀的主要因素3.1金属材料本身3.1.1环境因素4.预防金属腐蚀的方法4.1主体材料的选用4.1.1设计应考虑防腐4.1.2缓蚀剂的采用4.1.3电化学保护4.1.4表面覆盖法5.管理维护结论致谢浅谈压力容器在化工生产中的腐蚀与防护1.引言压力容器是化工生产中广泛使用的一种重要的特征设备。而在实际操作过程中，由于操作条件(介质、温度和压力)的不同，压力容器将会产生诸如全面腐蚀、品间腐蚀、应力腐蚀、氢损伤、孔蚀、缝隙腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀和腐蚀疲劳等各种各样的金属腐蚀，严重影响其在实际生产中的正常运行。金属腐蚀会导致压力容器的失效和破坏，甚至会引发爆炸事故，造成人员伤亡和财产损失。因此研究压力容器在化工生产中的腐蚀和防护显得尤为重要。本文从压力容器在化工生产的实际出发，综合讲述了金属的电化学腐蚀的基本原理和分类，为压力容器在化工生产中的正常运行提供依据。2.金属腐蚀的分类化工生产中使用的压力容器例如反应釜、蒸发器、换能器、蒸馏塔、贮罐等多为金属材料制成，碳钢材料居多。金属腐蚀是金属材料与其所处的环境介质发生化学或电化学作用而引起变质和破坏的一种现象IjJ。由于金属腐蚀的领域广、腐蚀机理比较复杂，其分类方法也是多样的，常见的金属腐蚀分类方法有以下三种。2.1按腐蚀过程的历程分类根据腐蚀过程的特点可以将金属腐蚀分为物理、化学和电化学腐蚀三大类2.1.1物理腐蚀(PhysicalCorrosion)是指金属由于单纯的物理溶解作用所引起的损坏。在液态金属中可发生物理腐蚀，这种腐蚀不是由化学或电化学反应。而是由物理溶解所致。如用来盛放熔融锌的钢容器，由于铁被液态锌所溶解而损坏等等。2.1.2化学腐蚀(ElectrochemicalCorrosion)是指金属表面与非电解质发生纯化学反应而引起的破坏。通常在一些干燥气体及非电解质溶液中进行。其反应历程的特点是金属表面的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反应而形成腐蚀产物。在腐蚀过程中，金属与氧化剂之间直接进行电子交换．发生直接的化学反应，没有电流产生。2.1.3电化学腐蚀(ElectrochemicalCorrosion)是金属与介质之间发生电化学作用而引起的破坏。反应过程同时有阳极失去电子的阳极反应，阴极获得电子的阴极反应以及电子的流动（电流），其历程服从电化学动力学的基本规律。绝大多数情况下，由于金属表面组织结构不均匀，上述的一对电化学反应分别在金属表面的不同区域进行在。例如当把碳钢放在稀盐酸中时，在钢表面铁素体处进行的是阳极反应（即Fe→Fe2++2e-），而在钢表面碳化铁处进行的则是阴极去极化反应（即2H++2e-→H2↑）。与这一对电化学反应进行的同时，则有电子不断地从铁素体流向碳化铁。我们把发生阳极反应的区域叫做阳极区，铁素体是阳极；把发生阴极反应的区域叫做阴极区，碳化铁是阴极；而在阳极与阴极之间不断地有电子流动。这种情况和电池的工作情况极为类似，只不过这里的阳极（铁）和阴极（碳化铁）的数目极多，面积极小，靠的极近而已，所以通常称它为腐蚀微电池。金属的电化学腐蚀之所以采取腐蚀微电池的形式，一方面是由于金属表面存在着各种各样的电化学不均匀性，为电化学反应的空间分离准备了客观条件；另一方面则是由于这两个反应分地区进行时遇到的阻力较小，因而在能量消耗上对反应的进行有利。但是从防止和减少腐蚀的观点看，这当然是不利的，我们应当设法尽量减少或消除金属表面的电化学不均匀性。电化学腐蚀又根据其电解质溶液酸碱度的不同分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。A、析氢腐蚀:(腐蚀过程中有氢气放出)腐蚀过程中的阴极上有氢气析出的腐蚀。它常发生在酸洗或用酸浸蚀某种较活泼金属的加工过程中。Fe作为腐蚀电池的阳极,钢铁中较Fe不活泼的其他杂质作阴极,H+在阴极上获得电子发生还原反应。反应方程式如下:阳极(Fe):Fe—2e-=Fe2+阴极(杂质):2H+十2e-=H2(g)总反应:Fe十2H+=Fe2++H2(g)B、吸氧腐蚀(腐蚀过程中消耗氧)在腐蚀过程中溶解于水膜中的氧气在阴极上得到电子被还原生成OH-的腐蚀。它常常是在中性、碱性或弱酸性的介质中发生的。大气中钢铁等金属的腐蚀主要形式是吸氧腐蚀。反应方程式如下:阳极(Fe):Fe-2e-=Fe2+阴极(杂质):O2十2H20十4e-=40H-总反应:2Fe十O2十2H20=2Fe(OH)2Fe(0H)2将进一步被O2所氧化,生成Fe(OH)3并部分脱水为疏松的铁锈。4Fe(OH)2十O2十2H20=4Fe(OH)3=Fe203·xH20(铁锈)析氢腐蚀的水膜常呈酸性,而吸氧腐蚀水膜呈中性或酸性很弱或碱性。通常两种腐蚀同时存在,但后者更为普遍,吸氧腐蚀比析氢腐蚀严重得多。3.影响金属腐蚀的主要因素影响金属腐蚀的主要因素金属腐蚀过程取决于压力容器中金属及合金成分、杂质含量和表面状态等内在因素和介质温度、压力、浓度、流速等外部条件，而且这些因素互相影响、互相制约，关系复杂。3.1金属材料本身金属腐蚀的发生首先是由金属本身的化学性质决定的。实验研究和生产实践证实，合金的腐蚀速度与合金含量有密切关系，囚此压力容器中的夹杂物会加速金属的腐蚀。其次，压力容器的金属表面状态和晶型对其腐蚀也有很大的影响，表面越粗糙，越易腐蚀：表面有氧化膜则耐腐蚀。金属的品粒越粗，压力容器腐蚀越快：反之，则较慢。再者，压力容器在制造过程中，由于金属在制冷过程中的冷、热加工(如冲压、煅烧、焊接等)变形，会产生较大的内应力，内应力的存在会加速腐蚀过程，特别是在有H2S存在的场合还会引起压力腐蚀破裂。3.1.1环境因素化工生产中存在着许多具有一定腐蚀性的介质，如酸、碱、盐、水、氧等，这些都是压力容器产生腐蚀的重要外部环境。一般金属材料对腐蚀介质有一定的适用范围。因此，在压力容器的使用过程中，介质的种类、化学成分、浓度、pH值、杂质、水分和含氧量都必须做到合适的控制。介质的温度越高，压力越高，腐蚀越快，因为腐蚀是一种化学反应，每升温10℃，腐蚀速度增加1-3倍。温度升高加速了溶液的对流，扩散速度增大，同时电解液电阻下降，所以使腐蚀电池的反应加快。压力会增大金属腐蚀速度，这是因为电化学过程中气体浓度随压力增加而增大的缘故。介质流动速度愈快，愈易腐蚀，溶液流速的增加，强化了物质的扩散和对流，同时也加速了腐蚀产物的脱落或对保护膜的冲刷．从而产生旋涡、湍流、空泡，引起严重的冲击磨损和空泡腐蚀。因此加速金属的腐蚀速度171。压力容器设计过程中的结构设计不合理，选材不当，制造加工质墁不高，焊接残余应力的存在以及缺乏防腐措施或施工质量低劣等原因，也为腐蚀破坏提供了环境IEl。此外，环境因素中的腐蚀介质、温度等还会对压力容器产生应力腐蚀。4.预防金属腐蚀的方法4.1主体材料的选用根据压力容器不同的用途和所处的介质、温度和压力情况，在压力容器的制作过程中，选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢压力容器可以增强防腐蚀能力。除了介质的腐蚀性与选材有直接关系外，介质的易燃程度和毒性程度也直接决定着选材。如Q235·A．F不允许用于易燃或中、高、极度危害介质的环境；Q235一A不得用于盛装石油气环境及高、极度危害介质容器；Q235．B不允许用于盛装极高度危害介质的环境。总之，压力容器主体材料的选用不仅要根据容器的工作压力和工作温度及标准与规范的允许范围，而且还应特别注意介质特性对材料性能的影响。4.1.1设计应考虑防腐按照有关部门的规定，必须是具有资格认可的定点单位才可以对化工压力容器进行设计和制造。为了防止设备在运行过程中急速腐蚀，在设计中要尽量减少应力集中。消除可能引起腐蚀介质积聚的缺口和缝隙，并注意设备金属的组织和结构。在进行压力容器设计时，除了应严格按照GBl50及《容规》等进行选材外，还应特别注意介质对主体材料的影响。如在湿H，S应力腐蚀环境中使用的化工容器用碳钢及低合金钢(包括焊接接头)应符合下列要求：(1)化学成分。母材：Mn1．65％、Ni1％(尽可能少)、Si1．0％：焊缝金属：C郢．15％、Mn1．6％、Si1．0％、Ni1．O哆“尽可能不含)：(2)母材及焊接接头硬度HB翌35。再如介质为液氮应力腐蚀环境中使用的低碳钢和低合金高强度钢(包括焊接接头)应符合HG20581．1998的钢制化工容器材料选f{j规定。而对于高温氢腐蚀环境，应根据Nelson曲线选择碳钢或用Cr-Mo低合金钢。在压力容器的设计中还应合理选择设备材质和衬里I101。设备以碳钢为主，必要时应选择不锈钢、铜材和钛材。衬里材料可选择橡胶、石墨、玻璃、瓷砖、聚四氟乙烯等耐腐蚀或不腐蚀材料。4.1.3金属电化学腐蚀的防护1、电化学保护法电化学保护是指在电化学腐蚀系统中，通过施加外加电流将被保护金属的电位移向免蚀区或钝化区，按其保护原理可分为阴极保护和阳极保护。（1）阴极保护阴极保护是在被保护的金属表面通入足够大的阴极电流，使其电位变负，从而抑制金属表面上腐蚀电池阳极的溶解速度。阴极保护的原理见左图，未进行阴极保护时，金属M以腐蚀电位Ecorr、腐蚀电流icorr被腐蚀，加入阴极电流后，发生阴极极化的结果使得金属的电位从Ecorr移至Ec，此时总的阴极极化电流由两部分组成，一部分是由腐蚀电池形成的（途中的FD段），另一部分是外加的ED段。此时腐蚀仍然没有完全停止下来，只不过腐蚀速度变小了。当外加电流足够大，使金属的电位移至Ee，A，即金属M的平衡电位时，腐蚀电流变为零，腐蚀完全被抑制。使金属完全得到保护的最小电流密度称为最小保护电流密度，相应的电位称为最小保护电位。阴极保护的电位不是越负越好，过负的阴极电位对腐蚀控制无实际意义，同时也会浪费电源，还可能会引起氢脆腐蚀。[1]在被保护的金属表面注入阴极电流，根据电流的来源分为牺牲阳极法和外加电流法两种方法。A、牺牲阳极保护法这种方法是在需保护的金属装备和另一种当做溶解阳极的金属之间安装一电解装置，利用金属的溶解提供阴极电流，见下图（a）。被选作牺牲阳极的金属一般是锌合金、铝合金、镁合金等，其重要的性质是能够以相对于被保护金属而言更负的电位，且以相对均匀的速度被腐蚀溶解，以提供平稳的保护电流。由于作为牺牲阳极的金属的腐蚀溶解，可以使被保护金属的阳极电位移向更负的位置，当两种金属的平衡电位相同时，辅助金属相当于