Kloridjonkorrosion och lösningar

Metallmaterial används ofta i olika anläggningar och utrustning i många industrisektorer och dagliga liv. Men metallkorrosion har alltid varit en nyckelfaktor som påverkar deras livslängd och säkerhet. Bland de många faktorerna som orsakar metallkorrosion är kloridjonkorrosion särskilt framträdande, vilket utgör en allvarlig utmaning för industriell produktion och underhåll av infrastruktur.

Kloridjoner är allmänt närvarande i havsvatten, jord, industriellt avloppsvatten och vissa specifika kemiska produktionsmiljöer. Deras frätande effekter på metallmaterial skadar inte bara metallstrukturer utan kan också leda till säkerhetsolyckor och betydande ekonomiska förluster. Därför är en djup förståelse av mekanismerna, påverkande faktorer och effektiva skyddsåtgärder för kloridjonkorrosion avgörande för att säkerställa en säker och stabil drift av olika anläggningar.

Kloridjoner (CL⁻) spelar en extremt aktiv roll i korrosionsprocessen. För vanliga metaller såsom stål börjar korrosionsreaktionen vanligtvis med anodisk oxidation på metallytan. Vid det anodiska området förlorar järnatomer (Fe) elektroner för att bilda järnjoner (Fe²⁺), som kommer in i lösningen och bildar reaktionen Fe - 2 e⁻ → Fe²⁺. I katodregionen, på grund av närvaron av upplöst syre i lösningen, inträffar en syrereduktionsreaktion: O₂ + 2 H₂O + 4 E⁻ → 4OH⁻. Situationen blir mer komplicerad när kloridjoner finns i lösningen.

Kloridjoner har en liten radie, hög aktivitet och stark penetrerande kraft. De kan förstöra den passiva filmen som bildas på metallytan, vilket normalt förhindrar ytterligare oxidation. Kloridjoner adsorberar på ytan av den passiva filmen och bildar lösliga komplex med metalljoner. Detta orsakar lokaliserad upplösning av den passiva filmen, avslöjar färsk metallytan och påskyndar den anodiska upplösningsprocessen. I rostfritt stål bildar till exempel krom (CR) en tät cr₂o₃ passiv film på ytan, vilket förhindrar att metallen kontaktar den yttre miljön.

Men när kloridjoner är närvarande, bildar de en komplex [crcl₆] ³⁻ med Cr³⁺, förstör den passiva filmen och inducerar lokala korrosionsfenomen såsom pittingskorrosion i rostfritt stål. Ur ett mikroskopiskt perspektiv förändrar närvaron av kloridjoner den elektrokemiska jämvikten på metallytan, och accelererar korrosionsreaktionen. Detta är den kemiska reaktionsmekanismen för kloridjonkorrosion.

(I) Pitting: "Invisible Bomb" på metallytan

Pitting, även känd som porkorrosion, är en vanlig och dold typ av kloridjonkorrosion. I en lösning som innehåller kloridjoner adsorberar och förstör kloridjoner företrädesvis den passiva filmen i vissa lokaliserade områden av metallytan på grund av defekter i den passiva filmen eller andra faktorer. När den passiva filmen är lokalt förstörd bildas en liten anod, medan det omgivande, större, intakta passiva filmområdet blir katoden och bildar en korrosionsmikrobattery.

Eftersom anodområdet är mycket mindre än katodområdet är den anodiska strömtätheten mycket hög, vilket gör att korrosion snabbt tränger in djupt in i detta lilla område och bildar små porer. Dessa porer kan vara svåra att upptäcka initialt, men med tiden fördjupas de gradvis och expanderar, så småningom penetrerar metallen och påverkar allvarligt styrkan hos metallstrukturen. Exempelvis utsätts skrovet på ett fartyg i en marin miljö för lång - termkontakt med havsvatten, där höga koncentrationer av kloridjoner lätt kan utlösa gropskorrosion. När pitting korrosion inträffar kan den fortsätta att utvecklas i iögonfallande områden i skrovet. När det upptäcks kan det redan utgöra ett hot mot fartygets säkra navigering.

(Ii) Crevice Corrosion: den dolda "Erosion Driver"

CREVICE -korrosion förekommer vanligtvis vid metall - till - metall eller metall - till - Icke -metalfogar, såsom de som finns i packningar, bultar och rivetter. När en lösning som innehåller kloridjoner kommer in i dessa sprickor är syrepåfyllning svår på grund av det begränsade flödet av lösningen i sprickorna och bildar en syrekoncentrationscell. Syre - Bristande områden inom sprickorna fungerar som anoder, vilket orsakar metallupplösning, medan syre - rika områden utanför sprickorna fungerar som katoder.

Samtidigt ackumuleras kloridjoner i sprickorna, vilket ytterligare påskyndar korrosionsprocessen. Crevice -korrosion kännetecknas av koncentrerad korrosion inom och runt sprickorna. När korrosionsprodukter ackumuleras blir mediemiljön i sprickorna allt fientliga och påskyndar korrosionshastigheten. Om flänsfogarna för viss industriell utrustning är dåligt förseglade, kan processvätskor som innehåller kloridjoner enkelt komma in i luckorna, vilket kan orsaka sprickkorrosion och leda till utrustningsläckage.

(Iii) Stresskorrosionssprickor: Metallkollaps under "Interna och externa attacker"

Stresskorrosionsprickor är resultatet av de kombinerade effekterna av kloridjonkorrosion och dragspänning. Under dragspänning snedvrider metallens inre kristallstruktur, ökar dislokationstätheten och höjer energitillståndet på metallytan, vilket gör den mer mottaglig för korrosion. När kloridjoner finns i miljön adsorberar de företrädesvis på defekter eller spänningskoncentrationer på metallytan, förstör den passiva filmen och inducerar pitting eller sprickkorrosion.

När korrosion fortskrider fortsätter korrosionsgroparna eller sprickspetsarna att expandera under dragspänningen, vilket i slutändan leder till plötsligt fraktur av metallen. Denna typ av korrosion är mycket förstörande och förekommer ofta utan uppenbar varning. Till exempel, i den petrokemiska industrin, är hög - tryckledningar benägna att stressa korrosionsprickor om mediet de transporterar innehåller kloridjoner och rörledningarna utsätts för dragspänning från installationsspänning eller internt tryck. När rörledningen bryter kan det orsaka allvarliga säkerhetsolyckor.

(I) Kloridjonkoncentration: "Accelerator" för korrosion

Kloridjonkoncentration är en av de viktigaste faktorerna som påverkar korrosion. Generellt sett, ju högre kloridjonkoncentration i en lösning, desto snabbare är metallkorrosionshastigheten. När kloridjonkoncentrationen ökar kan fler kloridjoner delta i att förstöra passivationsfilmen på metallytan. Vid korrosionsmikroceller förbättrar dessutom höga kloridjonkoncentrationer drivkraften för den anodiska upplösningsreaktionen.

Till exempel i havsvatten är kloridjoninnehållet cirka 19 000 mg/L, mycket högre än i sötvatten. Detta gör metallstrukturer i marina miljöer mer mottagliga för korrosion. Forskning har visat att för kolstål i kloridjonlösningar kan öka kloridjonkoncentrationen från 100 mg/L till 1 000 mg/L öka korrosionshastigheten flera gånger.

I vissa industriella processer, såsom klor - Alkali och pappersindustrier, innehåller avloppsvatten som genereras under produktionen höga koncentrationer av kloridjoner. Om det släpps direkt utan behandling utgör det ett allvarligt korrosionshot mot omgivande metallinfrastruktur.

(Ii) Lösningens pH: "Korrosionsbalansen" för syra - Basmiljöer

PH för en lösning påverkar också signifikant kloridjonkorrosion. I en sur miljö främjar den höga koncentrationen av vätejoner (H⁺) anodisk upplösning av metallen och underlättar kloridjonskador på passiveringsfilmen.

Vid ett lågt pH kan korrosionsprodukter på metallytan existera som lösliga salter och inte bilda en effektiv skyddsfilm och därmed påskynda korrosionsprocessen. I kloridjonlösningar med ett pH av 4-5 är till exempel korrosionshastigheten för stål betydligt högre än i neutrala miljöer. I alkaliska miljöer kan hydroxidutfällningar bildas på metallytan, vilket i viss utsträckning förhindrar kloridjoner från att kontakta metallen och långsam korrosion.

Men när alkaliniteten är för stark kan vissa metaller, såsom aluminium, uppleva alkalisk korrosion. För de flesta metaller i kloridjonlösningar är kloridjonkorrosion mest uttalad i neutrala till något sura miljöer.

(Iii) Temperatur: "Katalysatorn" av kemiska reaktioner

Att öka temperaturen påskyndar hastigheten för kemiska reaktioner, och kloridjonkorrosion är inget undantag. När temperaturen stiger påskyndar diffusionshastigheten för joner i lösningen, och accelererar korrosionsreaktionskinetiken på metallytan. Å ena sidan ökar stigande temperatur aktiviteten hos metallatomer, vilket gör dem mer benägna att förlora elektroner och genomgå anodisk oxidation. Å andra sidan ökar kloridjonerna också deras förmåga att skada passiveringsfilmen vid höga temperaturer.

I kemisk produktion kan till exempel utrustning som används i hög - temperaturprocesser uppleva en betydande ökning av korrosionshastigheten när den utsätts för media som innehåller kloridjoner. Forskningsdata visar att för kolstål i vattenhaltig klorid - som innehåller lösningar kan korrosionshastigheten öka med 20% -30% för varje 10 graders temperaturökning.

Men när temperaturen stiger till en viss nivå kan det upplösta syreinnehållet i lösningen minska, vilket i sin tur påverkar katodens syrebsorptionskorrosionsreaktion, vilket resulterar i en komplex inverkan på korrosionshastigheten.

(I) Materialval: Att bygga ett starkt försvar vid källan

Att välja lämplig klorid - resistenta material är ett viktigt mått för att förhindra korrosion. För miljöer som kräver hög korrosionsbeständighet kan material såsom rostfritt stål och nickel - baserade legeringar användas. Olika typer av rostfritt stål har varierande motstånd mot kloridjonkorrosion. Till exempel förbättrar tillsatsen av molybden (MO) till 316L rostfritt stål dess resistens mot gropskorrosion med kloridjoner.

Nickel - baserade legeringar såsom hastelloy, på grund av egenskaperna hos deras legeringssammansättning, uppvisar utmärkt korrosionsbeständighet i höga - temperatur, hög - tryck och mycket korrosiva miljöer som innehåller kloridjoner. Inom det marina teknikområdet tillverkas några viktiga strukturella komponenter med nickel - baserade legeringar, som effektivt motstår havsvattenkorrosion.

Beroende på den specifika användningsmiljön kan metallmaterial legeras för att lägga till element såsom krom (CR), molybden (MO) och kväve (N) för att optimera materialets mikrostruktur och förbättra dess resistens mot kloridjonkorrosion.

Kloridjoner är extremt frätande för titan vid rumstemperatur i en neutral miljö, och oxidfilmen bildad på titanytan motstår effektivt kloridattack. Titan uppvisar utmärkt korrosionsbeständighet i de flesta klorid - som innehåller miljöer, främst på grund av följande mekanismer:

Passiveringsfilmskydd: Titanium bildar spontant en tät oxidfilm (Tio₂) i luft, vilket effektivt blockerar kloridjoner från att kontakta underlaget. Det är särskilt stabilt i våt klorgas eller neutrala kloridlösningar.

Kemisk inerthet: Titan är praktiskt taget oreaktivt med kloridjoner under neutrala syra- och alkaliförhållanden. Den bildar bara titan -tetraklorid i mycket reaktiva miljöer (såsom höga temperaturer och lågt vatteninnehåll) och inducerar korrosion.

(Ii) Beläggningsskydd: Skydda metaller med "skyddskläder"

Beläggningsskydd är en allmänt använt korrosionsskyddsmetod. Organiska beläggningar, såsom epoxihartsfärger och polyuretanfärger, bildar ett isolerande skikt på metallytan, vilket förhindrar direkt kontakt mellan kloridjoner och metallen. Beläggningstjocklek, vidhäftning och integritet är avgörande för ett effektivt skydd. Under beläggningsprocessen, se till att metallytan är ren och beläggningen är enhetlig och tät och undviker defekter som pinholes och bubblor.

För vissa hårda frätande miljöer kan också termiska spraybeläggningar, såsom de som applicerar zink eller aluminium, också användas. Dessa beläggningar använder offeranodiskt skydd av dessa metaller för att skydda basmetallen. Till exempel, på stålkonstruktionerna på Offshore -oljeplattformar, kan ett sammansatt skyddssystem som kombinerar termisk sprayade aluminiumbeläggningar med organiska tätningsbeläggningar effektivt förlänga stålstrukturernas livslängd.

(Iii) Tillämpning av korrosionshämmare: "hämmare" av korrosionsreaktioner

Korrosionshämmare är ämnen tillsättes i frätande media för att minska korrosionshastigheten för metaller. I klorid - som innehåller lösningar kan vissa korrosionshämmare användas för att hämma korrosion. Oorganiska korrosionshämmare, såsom kromater och nitriter, förhindrar korrosion genom att bilda en passiverande film på metallytan. Men deras toxicitet begränsar deras användning.

Organiska korrosionsinhibitorer, såsom imidazoliner och aminer, adsorberar på metallytor, förändrar laddningsfördelningen och aktiveringsenergin i korrosionsreaktionen, vilket hämmar korrosionsprocessen. Valet och koncentrationen av korrosionshämmare måste optimeras baserat på den specifika frätande miljön och metallmaterialet för att uppnå optimalt skydd. I vissa industriella cirkulerande kylvattensystem kan tillägg av en lämplig mängd korrosionsinhibitor effektivt kontrollera kloridjonkorrosion på rör och utrustning.

I framtiden, med den kontinuerliga utvecklingen av områden som materialvetenskap och ytteknik, tror vi att mer avancerade tekniker och metoder kommer att tillämpas på kloridjonkorrosionsskydd, vilket ytterligare förlänger livslängden för metallmaterial i komplexa frätande miljöer.