设备防腐蚀有哪些办法?
防腐蚀的方法总的来说可以分为两大类:一是正确地选择防腐蚀材料和其他防腐蚀措施;二是选择合理的工艺操作及设备结构。严格遵守化工生产的工艺规程,可以消除不应当发生的腐蚀现象,而即使采用良好的耐腐蚀材料,在操作工艺上不腐蚀规程,也会引起严重的腐蚀。目前,化工生产中常用的防腐蚀方法有以下几种。
了解不同材料的耐蚀性能,正确地、合理地选择防腐蚀材料是*行之有效的方法。众所周知,材料的品种很多,不同材料在不同环境中的腐蚀速度也不同,选材人员应当针对某一特定环境选择腐蚀率低、价格较便宜、物理力学性能等满足设计要求的材料,以便设备获得经济、合理的使用寿命。
如果能消除环境中引起腐蚀的各种因素,腐蚀就会终止或减缓,但是多数环境是无法控制的,如大气和土壤中的水分,海水中的氧等都不可能除去,且化工生产流程也不可能随意更改。但是有些局部环境是可以被调整的,如锅炉进水先去除氧(加入脱氧剂亚硫酸钠和肼等),可保护锅炉免遭腐蚀;又如空气进入密闭的仓库前先出去水分,也可避免贮存的金属部件生锈;为了防止冷却水对换热器和其他设备造成结垢和穿孔,可在水中加入碱或酸以调节PH值至*佳范围(接近中性);炼油工艺中常加碱或氨使生产流体保持中性或碱性。温度过高时,可在器壁冷却降温,或在设备内壁砌衬耐火砖隔热,等。这些都是改变环境且不影响产品和工艺的前提下采用的方法,在允许的前提下,建议工艺中选用缓和的介质代替强腐蚀介质。
通常,在腐蚀环境中加入少量缓蚀剂就可以大大减缓金属的腐蚀,我们一般将它分为无机、有机和气相缓蚀剂三类,其缓蚀机理也各不相同。
有些缓蚀剂会使阳极过程变慢,称之为阳极型缓蚀剂,它包括促进阳极钝化的氧化剂(铬酸盐、亚硝酸盐、铁离子等)或阳极成膜剂(碱、磷酸盐、硅酸盐、苯甲酸盐等),它们主要在阳极区域反应,促进阳极极化。一般阳极缓蚀剂会在阳极表面生成保护膜,这种情况下的缓蚀效果较好,但也存在一定风险,因为如果剂量不充足,会造成保护膜不完整,膜缺陷处暴露的裸金属面积小,阳极电流密度大,更容易发生穿孔。另一类缓蚀剂是在阴极反应,如钙离子、锌离子、镁离子、铜离子、锰离子等与阴极产生氢氧根离子,形成不溶性的氢氧化物,以厚膜形态覆盖在阴极表面,因而阻滞氧扩散到阴极,增大浓差极化。除此之外,也有同时阻滞阳极和阴极的混合型缓蚀剂,但加入量一般都需要先通过试验才可确定。
有机缓蚀剂是吸附型的,吸附在金属表面,形成几个分子厚的不可视膜,可同时阻滞阳极和阴极反应,但对二者的影响力稍有不同。常用无机缓蚀剂有含氮、含硫、含氧及含磷的有机化合物,其吸附类型随有机物分子构型的不同可分为静电吸附、化学吸附及π键(不定位电子)吸附。有机缓蚀剂的发展很快,用途十分广泛,但是使用它同时也会产生一些缺点,如污染产品,特别是食品类,缓蚀剂可能对生产流程的这一部分有利,但进入另一部分则变为有害物质,也有可能会阻抑需要的反应,如酸洗时使去膜速度过缓,等。
这类缓蚀剂是挥发性很高的物质,含有缓蚀基团,一般用来保护贮藏和运输中的金属零部件,以固体形态应用居多。它的蒸汽被大气中的水分解出有效的缓蚀基团,吸附在金属表面,达到减缓腐蚀的目的。另外,它也是一种吸附性缓蚀剂,被保护的金属表面不需要除锈处理。
阴极保护是依靠外加直流电流或牺牲阳极,使被保护金属成为阴极,从而减轻或消除金属的腐蚀的方法。因为在应用阴极保护之前,大多数产生腐蚀的金属结构上都存在着阴极区和阳极区,如果能把所有的阳极区都变成阴极区,整个金属构件变成阴极,也就达到了消除腐蚀的目的。对于一个具体的工程,在选择阴极保护系统之前,应考虑的问题很多:
进行阴极保护,必须知道所需的总电流。这可用临时的试验装置来测定电流的需要量。若所需要的保护电流不大(小于1.5~2A),*好选用牺牲阳极保护,如果所需保护电流较大,采用外加电流保护比较经济。
在透气性较差的土壤中,金属相对容易极化,若在氧容易到达结构表面的土壤中,结构要极化需要较大的电流。另外,土壤电阻率*低的地方是*适合于安装四声阳极或外加电流系统的阳极。水的运动有显著的作用,若水静止,保护电流可取较小值。相反,湍流的水能冲刷结构表面,因此需要极强的机械去极化作用。
对间距小、结构复杂,且进行阴极保护的构件,很容易发生电的屏蔽作用。从远处阴极保护电源来的电流,很容易被外层构件所吸收,只有少量电流能达到内层构件中,于是外层构件就形成了一种电的屏蔽。此时,阴极的数量和配置应尽量做到与被保护结构的各部位距离大致相等,使电流的分散更加均匀。
使用阴极保护时,应考虑阴极保护在经济上是否合算。如果阴极保护是解决腐蚀问题的经济办法,那么选择的阴极保护系统应该是成本*低的,且其中需要考虑设计和安装成本、电源成本以及系统维护的成本。
设计时,应该知道被保护结构预期的使用期限。在实际应用阴极保护的地方,应该使阴极保护系统的设计寿命与被保护结构的寿命相同,寿命过低,保护效果不好,过高会增加成本,造成浪费。
在设计阴极保护系统之前,必须了解该地区是否有杂散电流。它主要来自电气化铁路、采矿机械、电焊等直流电源。杂散电流使被保护结构产生很快的腐蚀,通常比其他环境因素引起的腐蚀更加严重。因此,在设计阴极保护时,应该很好地选择阳极系统的位置,尽量避开杂散电流。
温度会改变介质的电阻,由于土壤和水的电阻通常是随着温度的升高而降低的。热带海水电阻比寒冷地区的同样海水的电阻低很多就是这个原理。
适合做牺牲阳极的材料有铝、镁、锌。阳极材料可以浇铸成多种不同形状的牺牲阳极,以满足阴极保护设计的需要。
用于外加电流阴极保护系统的阳极,*好在输出电流时有一个符合实际的*低的腐蚀率。废钢管、棒及类似的废钢材料都可以用作外加电流保护系统的阳极,虽然消耗较多,但来源十分广泛。总之,阴极保护比较适宜于腐蚀性不太强的介质,如海水、土壤、中性盐溶液等,在强腐蚀性介质中,由于电能与护屏材料消耗太大,一般不采用。
以设备作为阳极,从外部通入电流,一般将加速腐蚀,且腐蚀电流随阳极极化而增大。但对可以钝化的金属则会出现另一种情况,当电位随电流上升,达到致钝电位后,腐蚀电流急速下降,甚至可下降几万倍,以后随电位上升,电流不变,直到钝区为止。利用这个原理,以需要保护的设备为阳极,导入电流,使电位保持在钝化区的中段,腐蚀率可保持很低值,通入的电流就表示设备的腐蚀速度。
在基体金属中加入能促进钝化的合金成分,当加入量达到一定比例后,便得到耐蚀性优良的材料。如铁中加入12%以上的铬,就称为不锈钢;铬钢中加入镍,可扩大钝化范围,还可提高机械性能;又如铁中加入14%硅,就得到耐酸性优良的高硅铁,等等。另外在某些活性金属中加入微量超电压低的阴极贵金属,可以促进钝化。如不锈钢和钛在某些浓度和温度的硫酸中是活性的,如在基体金属中加0.1~0.15%的钯或铂,将在合金表面分布成为众多的微阴极,促进局部腐蚀电池的运转,阴极电流很快增大,迅速达到钝化区,使金属耐蚀性增强。
金属在接触使用环境前先用钝化剂或成膜剂处理,表面生成稳定密实的钝化膜,抗蚀性大大增加。它与缓蚀剂方法不同之处,在于它在以后的使用环境中不需要再加入缓蚀剂,铝经过阳极处理,表面可以生成比在大气中生成的更为密实的膜,这类膜在温和的腐蚀环境中有优良的抗蚀能力,钢铁部件表面发蓝也是这个原理。
在钢铁底层上可用一薄层更耐腐蚀的金属保护。常用的方法是电镀,一般镀2~3层,只有几十微米厚,因而不可避免地存在微孔,溶液可渗入微孔,将构成镀层-底层腐蚀电池。镀层若为贵金属,其电位比铁高,将成为阴极,会加速底层铁腐蚀。因此,这类镀层不适于强腐蚀环境,但可用于大气、水等环境,缓慢产生的腐蚀产物可将微孔堵塞,电阻增大,获得一定的使用寿命。若用廉价的金属,构成腐蚀电池的极性则与上述相反,使钢得到阴极保护,可以保持较长的寿命。除了电镀外,还常用热浸镀(熔融浸镀)、火焰喷镀、蒸汽镀和整体金属薄板包镀。后者因无微孔,耐蚀性强,寿命更长,但价格稍高。
用有机涂料保护大气中的金属结构,是*广泛的防腐手段。涂料覆盖在金属表面,干后形成多孔薄膜,虽然不能使金属与介质完全隔绝,但增大价值通过微孔的扩散阻力和溶液电阻,使腐蚀电流下降。在缓和的环境中,如大气、海水等,微孔底金属腐蚀缓慢,腐蚀产物可堵塞微孔,有很长的使用寿命,但不适于强腐蚀溶液,因为金属腐蚀速度较快,并伴随有氢气的产生,会使漆膜破裂。
衬里一般为整片材料,适用于和强腐蚀介质接触的设备内部。如盐酸、稀硫酸的贮槽会用橡胶或塑料衬里,贮存硝酸的钢槽用不锈钢薄板作衬里等。搪瓷实际上是一种玻璃衬里,工业上称为搪瓷玻璃,它的耐酸性强,广用于食品、医药等工业,可保证产品质量,但是不能烧制太大的设备。
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