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        氯離子對電站常用金屬材料腐蝕行為的影響解析

        2023-02-13 08:16:03賀利鋒
        中國設(shè)備工程 2023年23期
        關(guān)鍵詞:金屬表面凝結(jié)水碳鋼

        賀利鋒

        (西安核設(shè)備有限公司,陜西 西安 710021)

        電站有較多的金屬設(shè)備,而且金屬材料種類較多,例如,包括碳鋼和低合金鋼以及不銹鋼等,本文主要分析常溫工作狀態(tài)中氯離子的金屬材料腐蝕影響規(guī)律,為電站機組停運保養(yǎng)工作提供參考。

        1 概述金屬腐蝕的基礎(chǔ)理論

        1.1 大氣腐蝕

        大氣腐蝕是金屬材料腐蝕的常見形式,因為環(huán)境的影響,將會腐蝕電解質(zhì)液膜,從而產(chǎn)生大氣腐蝕,從而增加經(jīng)濟損失。大氣腐蝕主要是在電解液薄膜下產(chǎn)生微電池,從而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。因為環(huán)境溫濕度和污染物的影響,將會在金屬材料表面產(chǎn)生物理吸附和化學(xué)凝聚等問題,最終會產(chǎn)生薄液膜,最終引發(fā)金屬電化學(xué)腐蝕問題。在形成液膜的過程中,空氣中的可溶性氣體將會被溶解,從而產(chǎn)生各種電解質(zhì)液膜,同時產(chǎn)生的可溶性化學(xué)活性物將會改變?nèi)芤盒再|(zhì),從而引發(fā)腐蝕問題。在沉降和吸收污染性氣體的時候,將會酸化金屬表面的電解液層,改變環(huán)境溫濕度后,將會改變含有鹽類和可溶性化學(xué)介質(zhì)的液體,同時在溶液中將會改變PH 值和O2等反應(yīng)活性物質(zhì),腐蝕反應(yīng)的物質(zhì)傳遞過程因此發(fā)生改變。

        1.2 環(huán)境影響因素

        環(huán)境氣氛種類和溫度以及相對濕度等參數(shù)直接影響大氣腐蝕速率,分析環(huán)境因素的影響,需要分析環(huán)境氣象因素和各種腐蝕介質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)。金屬大氣腐蝕的環(huán)境影響因素主要包括溫濕度和降雨量以及日照強度等,不同地區(qū)在季節(jié)變化過程中,金屬腐蝕的變化比較明顯,而且具備周期性特征。

        1.3 腐蝕產(chǎn)物

        在金屬表面堆積金屬腐蝕形成的腐蝕產(chǎn)物,后續(xù)的腐蝕速度也會受到影響。腐蝕產(chǎn)物的種類和形貌狀態(tài)等直接關(guān)系到保護性,例如,鋁的氧化膜具有較高的致密性,可以降低腐蝕速度。但是,會加速腐蝕一些金屬的腐蝕產(chǎn)物,例如,因為蓬松結(jié)構(gòu)會增加初期腐蝕產(chǎn)物的反應(yīng)面積。

        2 概述電站常用金屬材料腐蝕行為

        2.1 做好電站常用金屬材料腐蝕行為控制工作的重要性

        在電站行業(yè)中普遍存在腐蝕性介質(zhì),因此,電力生產(chǎn)過程中各種設(shè)備很容易接觸腐蝕性介質(zhì),從而引發(fā)腐蝕問題,而且電站的溫度和壓力等條件需要符合相關(guān)要求,否則,將會加劇腐蝕問題。如果電站設(shè)備發(fā)生腐蝕問題,將會直接影響使用壽命和維修周期以及生產(chǎn)效率等,同時會增加生產(chǎn)成本。

        2.2 腐蝕原因

        (1)內(nèi)部原因。①電站設(shè)備利用活潑性金屬,因此,很容易和外界物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。②電站生產(chǎn)環(huán)境比較復(fù)雜,因此很容易腐蝕很多金屬材料,而且在特定條件下金屬材料很容易產(chǎn)生反應(yīng)。③在同一環(huán)境下,不同金屬材料具有不同的抗腐蝕能力,材料本身性質(zhì)和外界環(huán)境的活躍度發(fā)揮著重要的影響。④管理人員的設(shè)備維護和保養(yǎng)工作直接關(guān)系到金屬設(shè)備的金屬材料抗腐蝕能力,通過定期保養(yǎng)設(shè)備,可以使設(shè)備抗腐蝕能力因此提高。

        (2)外部原因。外界物質(zhì)的介入直接關(guān)系到電站金屬腐蝕,在化工生產(chǎn)過程中需要投入較多的生產(chǎn)原料,這些原料如果具備強腐蝕性特征,將會腐蝕金屬設(shè)備。雖然一些原料并不具備強烈的腐蝕性,但是經(jīng)過化學(xué)反應(yīng),將會轉(zhuǎn)變?yōu)閺姼g性的物質(zhì),在高溫和高壓作業(yè)條件中,設(shè)備介質(zhì)可能會發(fā)生移動,進一步擴大腐蝕面積。

        2.3 設(shè)備常用金屬材料防腐的不足之處

        (1)腐蝕結(jié)構(gòu)工藝不合理。結(jié)構(gòu)工藝直接影響設(shè)備防腐蝕性能,因此,需要合理選擇防腐工藝,合理實際工作的不足之處。一些金屬材料防腐工作中缺乏針對性的控制策略,尤其不夠關(guān)注氧化腐蝕和縫隙腐蝕等,沒有結(jié)合工作需求采取合理的控制方案,從而加劇腐蝕問題,并且會帶來嚴重的影響。

        (2)設(shè)備材料不合理。在選擇防腐蝕技術(shù)的時候,因為沒有科學(xué)的分析材料因素,不利于合理管控金屬材料,影響到材料選擇的科學(xué)性。一些設(shè)備選擇利用碳素鋼,因為沒有詳細判斷主體優(yōu)勢,而且沒有關(guān)注一些材料成本,隨后影響后續(xù)使用效果。需要進一步分析電站常用金屬材料腐蝕行為,但是這一工作具有較大的難度,一些人員不夠重視基本工作,從而引發(fā)大面積的腐蝕問題,不利于保障工作效果。此外,在選擇一些材料的時候沒有分析高濃度腐蝕物質(zhì)的危害性,同時沒有具體性總結(jié)腐蝕性因素,從而產(chǎn)生很多酸性介質(zhì),不利于正常性地使用設(shè)備,最終逐漸加劇腐蝕問題。選擇某些材料的時候,工作人員忽視了機械表面防腐技術(shù),出現(xiàn)了漆膜脫落等問題,弱化了整體工作效果。

        (3)不夠關(guān)注外部力量。設(shè)備是電站工作的基礎(chǔ),因此,需要重視設(shè)備防腐工作,這就需要合理選擇防腐蝕技術(shù)。但是,在實際工作中更加重視腐蝕性物質(zhì)化學(xué)成分,沒有詳細分析外部力量,不利于完善設(shè)備金屬材料的預(yù)防性措施,不利于推進基本控制工作。

        3 氯離子對電站常用金屬材料腐蝕行為的影響

        3.1 碳鋼在氯離子環(huán)境中的腐蝕行為

        在電站鍋爐熱力設(shè)備中廣泛利用碳鋼,在機組停運過程中,熱力設(shè)備缺乏充足的內(nèi)排水,同時會引入外界空氣,或者在金屬表面形成水膜,共同發(fā)揮出溶解氧和雜質(zhì)離子的作用,將會產(chǎn)生腐蝕問題,提高水自動雜質(zhì)離子濃度之后,將會提高整體腐蝕速度。

        在含氯離子環(huán)境中,碳鋼很容易產(chǎn)生腐蝕機理,在含氯離子環(huán)境中,碳鋼很容易產(chǎn)生各種銹蝕產(chǎn)物,例如,包括Fe304和γ-FeOO 等,因為腐蝕產(chǎn)物具有較大的顆粒,整體結(jié)構(gòu)非常疏松,在使用后期很容易發(fā)生脫落問題,不利于發(fā)揮出腐蝕層的作用,同時會保持穩(wěn)定性的腐蝕速率。

        分析中性水中氯離子的碳鋼腐蝕行為,可以確定溶液氯離子含量不會影響碳鋼均勻腐蝕,即使顯著提高氯離子質(zhì)量濃度,也不會顯著改變碳鋼的平均腐蝕速率。提高室溫溫度,將會提高腐蝕速度。

        分析Q235 碳鋼在海洋工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕行為,在薄液膜下,Q235 碳鋼將會產(chǎn)生腐蝕問題,將會形成水解產(chǎn)物層,如果氯離子含量超過一定濃度值,將會產(chǎn)生β-FeOOH。延長腐蝕時間后,將會導(dǎo)致基體表面腐蝕產(chǎn)物分層,外銹層將會產(chǎn)生大量的孔洞,內(nèi)銹層具有較高的致密性,不利于滲透氧和腐蝕性介質(zhì)。大氣中的氯離子通過內(nèi)銹層后將會腐蝕基體表面,液膜的導(dǎo)電性因此,加劇腐蝕微電池,同時會進一步溶解Fe(OH)2,導(dǎo)致致密的內(nèi)銹層被破壞,加劇腐蝕問題。

        在常溫條件中碳鋼中夾雜物可能會引發(fā)點蝕問題,在鋼基體和夾雜物的交界面不會發(fā)揮出鈍化膜的保護作用,達到點蝕電位后,將會損壞鈍化膜,同時會溶解鐵基體,因為鐵離子的水解酸化作用,將會不斷溶解雜物周圍的鈍化膜,最終產(chǎn)生腐蝕斑。溶液中的侵蝕性氯離子將會促進點蝕發(fā)展,而且鋼的點蝕點位將會不斷降低。

        在氯離子環(huán)境中,碳鋼腐蝕行為主要包括均勻性腐蝕和點蝕,溶液中的氯離子含量不會影響碳鋼的均勻腐蝕,但是,溶液中的氯離子將會誘發(fā)點蝕問題,同時會降低碳鋼點蝕電位。水中的溶解氧和碳鋼夾雜物將會引發(fā)點蝕問題,因此僅僅降低氯離子含量,無法徹底規(guī)避碳鋼點蝕問題。

        3.2 分析低合金鋼在氯離子環(huán)境中的腐蝕行為

        低合金鋼以碳鋼為基礎(chǔ)進一步改善碳鋼性能,通過合理加入不同的合金元素,形成的一種合金鋼。通常是在電站水冷壁和低溫過熱器等設(shè)備中廣泛利用低合金鋼材料。通過研究低溫再熱器的腐蝕行為,確定低溫再熱器入口管發(fā)生腐蝕問題主要是因為停用期間出現(xiàn)了氧溶解腐蝕問題,這是因為凝結(jié)水和水中的氧溶解將會引發(fā)腐蝕問題,因為凝結(jié)水的腐蝕性陰離子將會加劇腐蝕發(fā)展。因為金屬基體的電極電位比較低,增加了陰陽極的電位差,從而產(chǎn)生腐蝕電池,凝結(jié)水的溶解氧可以發(fā)揮出腐蝕去極化劑的作用,不斷失去金屬基體的電子,推動電池反應(yīng)。為了平衡局部區(qū)域的電離,向腐蝕點中遷移凝結(jié)水中的腐蝕性陰離子,進一步溶解腐蝕點。通過控制凝結(jié)水,并且控制系統(tǒng)氧含量,避免在低溫再熱器的入口部位發(fā)生腐蝕問題。

        總之,在氯離子環(huán)境中低合金鋼腐蝕的主要誘因是凝結(jié)水和水中的溶解氧,在常溫狀態(tài)中,如果同時存在凝結(jié)水和溶解氧,將會在金屬表面產(chǎn)生外銹層和內(nèi)銹層,可以發(fā)揮出內(nèi)銹層的保護作用,但是,在內(nèi)銹層底部遷移腐蝕性氯離子,將會進一步溶解金屬基體。

        3.3 不銹鋼在氯離子環(huán)境中的腐蝕行為

        在電站鍋爐換熱器和再熱器等設(shè)備中廣泛利用不銹鋼,在含氯離子環(huán)境中,不銹鋼腐蝕影響因素較多,例如,氯離子活化作用將會破壞不銹鋼氧化膜。因為氯離子的半徑比較小,而且具有很強的穿透能力,將會穿透氧化膜,接觸金屬表面后形成可溶性的化合物,因此改變氧化膜的結(jié)構(gòu)。因為金屬很容易吸附氯離子,因為同時排掉金屬表面的氧,減少了膜中的鈍化離子,從而產(chǎn)生氯化物。

        不銹鋼具備顯著的耐蝕性,這是因為不銹鋼的鈍化膜可以控制金屬反應(yīng)能力,在含氯離子環(huán)境中,不銹鋼不會發(fā)生均勻性腐蝕問題,主要是發(fā)生點蝕或者應(yīng)力腐蝕等問題。通過分析可以確定,嚴格控制不銹鋼接觸溶液介質(zhì)的氯離子含量,有利于控制腐蝕問題。

        3.4 金屬材料在氯離子環(huán)境中的腐蝕控制

        綜上所述,碳鋼和低合金鋼在停用過程中,凝結(jié)水和水中溶解氧是腐蝕問題的主要影響因素,腐蝕性氯離子很容易破壞內(nèi)銹層,可以進一步溶解金屬基體。不銹鋼發(fā)生腐蝕問題的主要原因是表面溶液中的濃縮氯離子,顯著增加了氯離子濃度,并且超過了規(guī)定值。

        電站機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,在停運過程中很難將內(nèi)存水和蒸汽排除干凈,將會在局部產(chǎn)生積水,揮發(fā)堿性物質(zhì)后,將會降低積水的Ph 值,同時析出金屬表面的腐蝕性陰離子,因此濃縮水中的陰離子。結(jié)合電站鍋爐特征,很難控制設(shè)備底部積水和金屬表面的液膜氯離子,而且在不同環(huán)境中,不同金屬材料提出不同的氯離子腐蝕性要求,因此很難通過控制氯離子濃度來規(guī)避腐蝕問題。

        電站金屬材料發(fā)生腐蝕問題是因為凝結(jié)水的作用,因此需要控制凝結(jié)水的產(chǎn)生,避免發(fā)生腐蝕問題??梢岳糜袡C胺停用保護劑,因此在碳鋼表面形成保護膜,降低腐蝕速率,避免凝結(jié)水接觸金屬表面。通過分析確定控制空氣濕度在40%范圍內(nèi),有利于規(guī)避腐蝕問題,利用成膜胺物質(zhì)可以在金屬表面成膜,從而發(fā)揮出保護作用。總之,可以采取以下防腐措施。

        (1)減少水中的溶解氧含量,也可以向系統(tǒng)中加入還原性保護液。

        (2)在金屬表面形成保護膜,可以有效規(guī)避電化學(xué)腐蝕。

        (3)徹底排出系統(tǒng)中的水分,提高系統(tǒng)金屬內(nèi)壁的干燥性,合理降低系統(tǒng)濕度,進一步提高安全水平。

        通過降低氯離子含量,很難控制電站金屬腐蝕,因為氯離子并不是碳鋼和低合金鋼的腐蝕必要條件。為了合理控制電站金屬材料的腐蝕問題,一方面,需要控制空氣濕度;另一方面,需要在金屬表面成膜,有效隔絕空氣。

        4 結(jié)語

        綜上所述,碳鋼和合金鋼發(fā)生腐蝕問題主要是因為凝結(jié)水和溶解氧的影響,腐蝕性氯離子很容易破壞內(nèi)銹層,將會進一步溶解金屬基體。而不銹鋼材料發(fā)生腐蝕問題主要是因為濃縮了表面溶液中的氯離子,導(dǎo)致氯離子含量超過了特定值。通過控制氯離子含量,不利于有效控制金屬材料腐蝕問題,需要降低空氣中的濕度,或者在金屬表面成膜,有效隔絕空氣和金屬,優(yōu)化電站技術(shù)材料的防腐性。

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