史上最全的設(shè)備防腐蝕辦法
防腐蝕的方法總的來(lái)說可以分為兩大類:一是正確地選擇防腐蝕材料和其他防腐蝕措施;二是選擇合理的工藝操作及設(shè)備結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格遵守化工生產(chǎn)的工藝規(guī)程,可以消除不應(yīng)當(dāng)發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象,而即使采用良好的耐腐蝕材料,在操作工藝上不腐蝕規(guī)程,也會(huì)引起嚴(yán)重的腐蝕。目前,化工生產(chǎn)中常用的防腐蝕方法有以下幾種。
了解不同材料的耐蝕性能,正確地、合理地選擇防腐蝕材料是最行之有效的方法。眾所周知,材料的品種很多,不同材料在不同環(huán)境中的腐蝕速度也不同,選材人員應(yīng)當(dāng)針對(duì)某一特定環(huán)境選擇腐蝕率低、價(jià)格較便宜、物理力學(xué)性能等滿足設(shè)計(jì)要求的材料,以便設(shè)備獲得經(jīng)濟(jì)、合理的使用壽命。
如果能消除環(huán)境中引起腐蝕的各種因素,腐蝕就會(huì)終止或減緩,但是多數(shù)環(huán)境是無(wú)法控制的,如大氣和土壤中的水分,海水中的氧等都不可能除去,且化工生產(chǎn)流程也不可能隨意更改。但是有些局部環(huán)境是可以被調(diào)整的,如鍋爐進(jìn)水先去除氧(加入脫氧劑亞硫酸鈉和肼等),可保護(hù)鍋爐免遭腐蝕;又如空氣進(jìn)入密閉的倉(cāng)庫(kù)前先出去水分,也可避免貯存的金屬部件生銹;為了防止冷卻水對(duì)換熱器和其他設(shè)備造成結(jié)垢和穿孔,可在水中加入堿或酸以調(diào)節(jié)PH值至最佳范圍(接近中性);煉油工藝中常加堿或氨使生產(chǎn)流體保持中性或堿性。溫度過高時(shí),可在器壁冷卻降溫,或在設(shè)備內(nèi)壁砌襯耐火磚隔熱,等。這些都是改變環(huán)境且不影響產(chǎn)品和工藝的前提下采用的方法,在允許的前提下,建議工藝中選用緩和的介質(zhì)代替強(qiáng)腐蝕介質(zhì)。
通常,在腐蝕環(huán)境中加入少量緩蝕劑就可以大大減緩金屬的腐蝕,我們一般將它分為無(wú)機(jī)、有機(jī)和氣相緩蝕劑三類,其緩蝕機(jī)理也各不相同。
無(wú)機(jī)緩蝕劑
有些緩蝕劑會(huì)使陽(yáng)極過程變慢,稱之為陽(yáng)極型緩蝕劑,它包括促進(jìn)陽(yáng)極鈍化的氧化劑(鉻酸鹽、亞硝酸鹽、鐵離子等)或陽(yáng)極成膜劑(堿、磷酸鹽、硅酸鹽、苯甲酸鹽等),它們主要在陽(yáng)極區(qū)域反應(yīng),促進(jìn)陽(yáng)極極化。一般陽(yáng)極緩蝕劑會(huì)在陽(yáng)極表面生成保護(hù)膜,這種情況下的緩蝕效果較好,但也存在一定風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)槿绻麆┝坎怀渥悖瑫?huì)造成保護(hù)膜不完整,膜缺陷處暴露的裸金屬面積小,陽(yáng)極電流密度大,更容易發(fā)生穿孔。另一類緩蝕劑是在陰極反應(yīng),如鈣離子、鋅離子、鎂離子、銅離子、錳離子等與陰極產(chǎn)生氫氧根離子,形成不溶性的氫氧化物,以厚膜形態(tài)覆蓋在陰極表面,因而阻滯氧擴(kuò)散到陰極,增大濃差極化。除此之外,也有同時(shí)阻滯陽(yáng)極和陰極的混合型緩蝕劑,但加入量一般都需要先通過試驗(yàn)才可確定。
有機(jī)緩蝕劑
有機(jī)緩蝕劑是吸附型的,吸附在金屬表面,形成幾個(gè)分子厚的不可視膜,可同時(shí)阻滯陽(yáng)極和陰極反應(yīng),但對(duì)二者的影響力稍有不同。常用無(wú)機(jī)緩蝕劑有含氮、含硫、含氧及含磷的有機(jī)化合物,其吸附類型隨有機(jī)物分子構(gòu)型的不同可分為靜電吸附、化學(xué)吸附及π鍵(不定位電子)吸附。有機(jī)緩蝕劑的發(fā)展很快,用途十分廣泛,但是使用它同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些缺點(diǎn),如污染產(chǎn)品,特別是食品類,緩蝕劑可能對(duì)生產(chǎn)流程的這一部分有利,但進(jìn)入另一部分則變?yōu)橛泻ξ镔|(zhì),也有可能會(huì)阻抑需要的反應(yīng),如酸洗時(shí)使去膜速度過緩,等。
氣相緩蝕劑
這類緩蝕劑是揮發(fā)性很高的物質(zhì),含有緩蝕基團(tuán),一般用來(lái)保護(hù)貯藏和運(yùn)輸中的金屬零部件,以固體形態(tài)應(yīng)用居多。它的蒸汽被大氣中的水分解出有效的緩蝕基團(tuán),吸附在金屬表面,達(dá)到減緩腐蝕的目的。另外,它也是一種吸附性緩蝕劑,被保護(hù)的金屬表面不需要除銹處理。
陰極保護(hù)是依靠外加直流電流或犧牲陽(yáng)極,使被保護(hù)金屬成為陰極,從而減輕或消除金屬的腐蝕的方法。因?yàn)樵趹?yīng)用陰極保護(hù)之前,大多數(shù)產(chǎn)生腐蝕的金屬結(jié)構(gòu)上都存在著陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū),如果能把所有的陽(yáng)極區(qū)都變成陰極區(qū),整個(gè)金屬構(gòu)件變成陰極,也就達(dá)到了消除腐蝕的目的。對(duì)于一個(gè)具體的工程,在選擇陰極保護(hù)系統(tǒng)之前,應(yīng)考慮的問題很多:
所需總保護(hù)電流
進(jìn)行陰極保護(hù),必須知道所需的總電流。這可用臨時(shí)的試驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)定電流的需要量。若所需要的保護(hù)電流不大(小于1.5~2A),最好選用犧牲陽(yáng)極保護(hù),如果所需保護(hù)電流較大,采用外加電流保護(hù)比較經(jīng)濟(jì)。
環(huán)境的變化
在透氣性較差的土壤中,金屬相對(duì)容易極化,若在氧容易到達(dá)結(jié)構(gòu)表面的土壤中,結(jié)構(gòu)要極化需要較大的電流。另外,土壤電阻率最低的地方是最適合于安裝四聲陽(yáng)極或外加電流系統(tǒng)的陽(yáng)極。水的運(yùn)動(dòng)有顯著的作用,若水靜止,保護(hù)電流可取較小值。相反,湍流的水能沖刷結(jié)構(gòu)表面,因此需要極強(qiáng)的機(jī)械去極化作用。
電的屏蔽
對(duì)間距小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且進(jìn)行陰極保護(hù)的構(gòu)件,很容易發(fā)生電的屏蔽作用。從遠(yuǎn)處陰極保護(hù)電源來(lái)的電流,很容易被外層構(gòu)件所吸收,只有少量電流能達(dá)到內(nèi)層構(gòu)件中,于是外層構(gòu)件就形成了一種電的屏蔽。此時(shí),陰極的數(shù)量和配置應(yīng)盡量做到與被保護(hù)結(jié)構(gòu)的各部位距離大致相等,使電流的分散更加均勻。
經(jīng)濟(jì)因素
使用陰極保護(hù)時(shí),應(yīng)考慮陰極保護(hù)在經(jīng)濟(jì)上是否合算。如果陰極保護(hù)是解決腐蝕問題的經(jīng)濟(jì)辦法,那么選擇的陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該是成本最低的,且其中需要考慮設(shè)計(jì)和安裝成本、電源成本以及系統(tǒng)維護(hù)的成本。
保護(hù)壽命
設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該知道被保護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)期的使用期限。在實(shí)際應(yīng)用陰極保護(hù)的地方,應(yīng)該使陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命與被保護(hù)結(jié)構(gòu)的壽命相同,壽命過低,保護(hù)效果不好,過高會(huì)增加成本,造成浪費(fèi)。
雜散電流的影響
在設(shè)計(jì)陰極保護(hù)系統(tǒng)之前,必須了解該地區(qū)是否有雜散電流。它主要來(lái)自電氣化鐵路、采礦機(jī)械、電焊等直流電源。雜散電流使被保護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很快的腐蝕,通常比其他環(huán)境因素引起的腐蝕更加嚴(yán)重。因此,在設(shè)計(jì)陰極保護(hù)時(shí),應(yīng)該很好地選擇陽(yáng)極系統(tǒng)的位置,盡量避開雜散電流。
溫度
溫度會(huì)改變介質(zhì)的電阻,由于土壤和水的電阻通常是隨著溫度的升高而降低的。熱帶海水電阻比寒冷地區(qū)的同樣海水的電阻低很多就是這個(gè)原理。
犧牲陽(yáng)極材料
適合做犧牲陽(yáng)極的材料有鋁、鎂、鋅。陽(yáng)極材料可以澆鑄成多種不同形狀的犧牲陽(yáng)極,以滿足陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的需要。
外加電流陽(yáng)極
用于外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽(yáng)極,最好在輸出電流時(shí)有一個(gè)符合實(shí)際的最低的腐蝕率。廢鋼管、棒及類似的廢鋼材料都可以用作外加電流保護(hù)系統(tǒng)的陽(yáng)極,雖然消耗較多,但來(lái)源十分廣泛??傊?,陰極保護(hù)比較適宜于腐蝕性不太強(qiáng)的介質(zhì),如海水、土壤、中性鹽溶液等,在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中,由于電能與護(hù)屏材料消耗太大,一般不采用。
以設(shè)備作為陽(yáng)極,從外部通入電流,一般將加速腐蝕,且腐蝕電流隨陽(yáng)極極化而增大。但對(duì)可以鈍化的金屬則會(huì)出現(xiàn)另一種情況,當(dāng)電位隨電流上升,達(dá)到致鈍電位后,腐蝕電流急速下降,甚至可下降幾萬(wàn)倍,以后隨電位上升,電流不變,直到鈍區(qū)為止。利用這個(gè)原理,以需要保護(hù)的設(shè)備為陽(yáng)極,導(dǎo)入電流,使電位保持在鈍化區(qū)的中段,腐蝕率可保持很低值,通入的電流就表示設(shè)備的腐蝕速度。
在基體金屬中加入能促進(jìn)鈍化的合金成分,當(dāng)加入量達(dá)到一定比例后,便得到耐蝕性優(yōu)良的材料。如鐵中加入12%以上的鉻,就稱為不銹鋼;鉻鋼中加入鎳,可擴(kuò)大鈍化范圍,還可提高機(jī)械性能;又如鐵中加入14%硅,就得到耐酸性優(yōu)良的高硅鐵,等等。另外在某些活性金屬中加入微量超電壓低的陰極貴金屬,可以促進(jìn)鈍化。如不銹鋼和鈦在某些濃度和溫度的硫酸中是活性的,如在基體金屬中加0.1~0.15%的鈀或鉑,將在合金表面分布成為眾多的微陰極,促進(jìn)局部腐蝕電池的運(yùn)轉(zhuǎn),陰極電流很快增大,迅速達(dá)到鈍化區(qū),使金屬耐蝕性增強(qiáng)。
金屬在接觸使用環(huán)境前先用鈍化劑或成膜劑處理,表面生成穩(wěn)定密實(shí)的鈍化膜,抗蝕性大大增加。它與緩蝕劑方法不同之處,在于它在以后的使用環(huán)境中不需要再加入緩蝕劑,鋁經(jīng)過陽(yáng)極處理,表面可以生成比在大氣中生成的更為密實(shí)的膜,這類膜在溫和的腐蝕環(huán)境中有優(yōu)良的抗蝕能力,鋼鐵部件表面發(fā)藍(lán)也是這個(gè)原理。
在鋼鐵底層上可用一薄層更耐腐蝕的金屬保護(hù)。常用的方法是電鍍,一般鍍2~3層,只有幾十微米厚,因而不可避免地存在微孔,溶液可滲入微孔,將構(gòu)成鍍層-底層腐蝕電池。鍍層若為貴金屬,其電位比鐵高,將成為陰極,會(huì)加速底層鐵腐蝕。因此,這類鍍層不適于強(qiáng)腐蝕環(huán)境,但可用于大氣、水等環(huán)境,緩慢產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物可將微孔堵塞,電阻增大,獲得一定的使用壽命。若用廉價(jià)的金屬,構(gòu)成腐蝕電池的極性則與上述相反,使鋼得到陰極保護(hù),可以保持較長(zhǎng)的壽命。除了電鍍外,還常用熱浸鍍(熔融浸鍍)、火焰噴鍍、蒸汽鍍和整體金屬薄板包鍍。后者因無(wú)微孔,耐蝕性強(qiáng),壽命更長(zhǎng),但價(jià)格稍高。
用有機(jī)涂料保護(hù)大氣中的金屬結(jié)構(gòu),是最廣泛的防腐手段。涂料覆蓋在金屬表面,干后形成多孔薄膜,雖然不能使金屬與介質(zhì)完全隔絕,但增大價(jià)值通過微孔的擴(kuò)散阻力和溶液電阻,使腐蝕電流下降。在緩和的環(huán)境中,如大氣、海水等,微孔底金屬腐蝕緩慢,腐蝕產(chǎn)物可堵塞微孔,有很長(zhǎng)的使用壽命,但不適于強(qiáng)腐蝕溶液,因?yàn)榻饘俑g速度較快,并伴隨有氫氣的產(chǎn)生,會(huì)使漆膜破裂。
襯里一般為整片材料,適用于和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)接觸的設(shè)備內(nèi)部。如鹽酸、稀硫酸的貯槽會(huì)用橡膠或塑料襯里,貯存硝酸的鋼槽用不銹鋼薄板作襯里等。搪瓷實(shí)際上是一種玻璃襯里,工業(yè)上稱為搪瓷玻璃,它的耐酸性強(qiáng),廣用于食品、醫(yī)藥等工業(yè),可保證產(chǎn)品質(zhì)量,但是不能燒制太大的設(shè)備。