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日志

 
 

化工设备电化防腐技术的科学探讨与实际应用 [喜上眉梢研究撰写]  

2009-05-11 12:09:21|  分类: 工程技术-1-化工- |  标签: |举报 |字号 订阅

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化工设备电化防腐技术的科学探讨与实际应用 [喜上眉梢研究撰写] - 喜上眉梢 - 喜上眉梢的博客         化工设备电化防腐技术的科学探讨与实际应用 [喜上眉梢研究撰写] - 喜上眉梢 - 喜上眉梢的博客            化工设备电化防腐技术的科学探讨与实际应用 [喜上眉梢研究撰写] - 喜上眉梢 - 喜上眉梢的博客

                                               原电池结构示意图                   原电池电子转移图

  1无源被动牺牲阴极型(第一种电化防腐技术)

-----------------------------------------------------------------------------------------主要问题已解决完毕

 

 

  2有源主动牺牲阴极型(第二种电化防腐技术)

-----------------------------------------------------------------------------------------主要问题还没有解决

 

                                                                                                               5—12—2009  

                                                                                                             深夜   3:00   喜上眉梢

 

化工设备电化防腐技术探讨与应用

1无源被动牺牲阴极型(第一种电化防腐技术)

2有源被动牺牲阴极型(第二种电化防腐技术)

 

 

化工企业现状: 

  化工设备腐蚀严重

         在化工生产中,我们常常发现许许多多价格昂贵的化工设备,动辄几万元,甚至于数十万元、数百万元的化工设备,它们腐蚀得特别严重,新安装的大气柜用不多久就出现蚀点,蚀点并逐渐加深,2至3年,就穿透气柜内、外壁,造成漏气、跑气,还有其他的与水接触或长期的在潮湿环境、( 原来,在潮湿的空气里,钢铁表面吸附了一层薄薄的水膜,这层水膜里含有少量H+OH-,还溶解了氧气等气体,结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液,它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池。在这些原电池里,铁是负极,碳是正极,铁失去电子而被氧化,形成三价铁Fe3+-------的--------Fe2O3及埋在地下的管道容器、设备,诸如压力容器、输气管道、冷去水排等,它们腐蚀的也特别的严重,每年因腐蚀给企业造成了大量的经济损失甚至于酿成事故。另外还有一些电器设备,特别是煤化工等企业,所应用的电除尘设备中的不锈钢电极丝严重腐蚀,造成使用寿命大大缩短,也给企业增加了经济负担与多余的开支。

        这些腐蚀都表现在点状腐蚀上,点孔加深穿透器壁时就开始漏气跑气。即使不漏,大量的蚀点最后连成片,二形成片状腐蚀,当剩余的器壁厚度低于耐压极限厚度时,就出现物理性爆裂(爆炸),甚至于着火引起化学性爆炸,这都是极其危险的安全隐患,这样的事例在很多的化工行业都出现过。还有,我们仔细查看电极丝,也发现其断裂造成电除尘跳车的原因也是因为电极丝点状腐蚀引起的,尽管它是由不锈干制造的也不可避免。

         我们为了防腐,常常是涂防锈漆,在干燥的环境里,设备涂防锈漆的防腐效果是很明显的,但是在潮湿的环境里,设备即使涂上防锈漆,其腐蚀也是不可避免,而且腐蚀的速度是加速的。

那么造成腐蚀的原因是什么呢?我们是否通过其他有效的途径,来解决潮湿环境里的钢铁设备减缓腐蚀,甚至于免于腐蚀呢?有效的方法是有的,只要我们真正的分析出造成腐蚀的原因,便能够反其道而行之,加以杜绝。)

 

造成腐蚀的原因

 

化工设备压力容器钢铁金属材料的缺陷 

 

  碳素钢在冶炼和轧制(锻造)加工过程中,由于设备、工艺和操作等原因造成钢的欠缺。主要包括结疤、裂纹、缩孔残余、分层、白点、偏析、非金属夹杂、疏松和带状组织等。

  特别是偏析,它会造成钢材成分的严重不均匀(如下图)。这种现象不仅包括常见的元素(如碳、锰、硅、硫、磷)分布的不均匀性,还包括气体和非金属夹杂分布的不均匀性。

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  偏析产生的原因是钢水在凝固过程中,由于选分结晶造成的。首先结晶出来的晶核纯度较高,杂质遗留在后结晶的钢水中。因此,结晶前沿的钢水为碳、硫、磷等杂质富集。随着温度降低,杂质凝固在树枝晶间,或形成不同程度的偏析带。此外,随着温度降低,气体在钢水中溶解度下降,在结晶前沿析出并形成气泡上浮,富集杂质的钢水沿上山轨迹形成条状偏析带。由于偏析在钢锭上出现部位不同和在低倍试片上表现出形式各异,偏析可分为方形偏析、“V”、“^”形偏析、点状偏析、中心偏析和晶间偏析等。

  另外,脱氧合金化工艺操作不当,可以造成严重的成分不均。保护渣卷入到钢水中造成局部增碳。这些因素使钢材产生偏析的程度往往超过由于选分结晶造成的偏析。 

        钢铁或其他的金属容易腐蚀,并非是钢铁和其他的金属本性如此,而是因为钢铁或其他的金属不纯净而引起的。也就是说,金属里含有或多或少的杂质成分。即使是铁这样容易腐蚀的金属,如果将它提炼得十分纯净,也具有很强的抗腐能力的,遗憾的是通常使用的金属材料,都难免含有杂质----这主要是其他的金属颗粒团。

         金属颗粒团的数量愈多,金属腐蚀得就愈快。为什么金属含有杂质就腐蚀速度大大加快呢?原来,各种金属的电势是有高低的,或者说金属的活性是不一样的。(我们常见的金属,他们的活性由高到低分别是  K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au ,它们的电势却是依次升高的。)

         当两种不同的金属连在一起放在同一种电解液中时,,这两种不同的金属就会形成小小的化学电池----原电池。电势较高的金属作为正极,二电势较低的金属作为负极。作为负极的金属不断的溶解到溶液中,并放出电子交给正极,因而有电流产生。由于作为负极的金属不断的溶解到溶液中去了,所以负极就慢慢的腐蚀掉了,这个过程我们就称之为电化腐蚀过程。这样我们就看出来了,在整个的电化腐蚀过程中,真正遭到腐蚀的,其实是作为负极的金属,而作为正极的金属并不遭受到腐蚀。不过在同一件设备中,无论作为负极的主要是金属还是杂质,既然它们在一起形成一个功能体,当它们任何一方遭受到腐蚀时,对整个金属器件或设备来说,都是腐蚀。

这些腐蚀都表现在金属的电化腐蚀上,也就是在金属的表面的含有杂质处先形成一个个小的原电池,并在此点开始腐蚀。 

按照化学定义                

      原电池:化学能转化为电能的装置

 

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                    负极                                        正极

                     /                                                  /

                          /  失去电子 (是金属)            /得到电子(氢或金属)

活性高、电势低的金属                   活性低、电势高的金属

 

                           原电池原理图示  

 

下面研究的是几种原电池原理,并通过对这几种原电池的原理比较,来进行具体的分析,杜绝有害的原电池产生,通过转移,让有利的原电池产生。

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 几组原电池  对比腐蚀试验

 

1铁-碳----酸原电池原理

铁与不活泼的金属在酸液里形成的原电池

 

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              /       /

           /       /

铁棒    碳棒

           

     1铁-碳----酸 原电池原理

            

        当金属放入溶液中的时候将发生金属离子向溶液中扩散的过程,电子就留在金属材料上。
如果只是铁片放入酸中,酸中的H+就会从金属铁片上获得电子而发生反应生成H2。由于H+到达铁片的过程中会受到Fe^2+的阻碍,随着反应的进行这种阻碍越强烈,所以纯铁与酸的反应速率很慢。
当铁片与比铁不活泼的金属连接时,由于电位差的原因,铁片上的电子就转移到了不活泼金属上,这样酸中的H+从不活泼的金属上得到从铁转移过来的电子,这样就没有Fe^2+的阻碍,反应速率就大大加快了。

 

负极(锌片):2Fe     –    6e-     =     2Fe3+                           (氧化反应)

正极(碳棒):6H+     +     6e-      =     3H2↑                           (还原反应)

总反应方程式:2Fe     +      6H+    =     2Fe3+    +    3H2↑    (氧化还原反应)

 

     2锌-碳----酸 原电池原理

    比铁活泼的金属与比铁惰性的碳棒在酸液里形成原电池

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              /          /

    锌片/   碳棒/   

当比铁活泼的金属锌单独放在酸溶液里时,将发生金属离子向溶液中扩散的过程,电子就留在金属材料上,酸中的H+就会从金属铁片上获得电子而发生反应生成H2。活泼的金属失去电子变成金属离子,而溶解“消失”。

负极(锌片):Zn      –    2 e-  = Zn2+                       (氧化反应)

正极(碳棒):2H+   +      2e-   =   H2↑                    (还原反应)

总反应方程式:Zn     +      2H+  = Zn2+    +    H2↑  (氧化还原反应)

 

    3铁-锌-碳----酸 原电池原理

          金属铁-锌-碳,在酸液里形成原电池

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     /        /        /

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铁片   碳棒  锌片

 

         如果铁片与比铁活泼的金属相连时,活泼的金属就将电子转移到铁片上,此时酸中的H+就从铁片上获得从活泼金属转移过来的电子而生成H2。由于Fe^2+没有增加,所以反应受到的阻碍很小,所以整个反应速率很快,此过程中没有铁与酸的反应。

     

 

负极(锌片):Zn      –    2 e-   = Zn2+                           (氧化反应)

正极(碳棒):2H+   +      2e-    =   H2↑                         (还原反应)

总反应方程式:Zn      +      2H+  = Zn2+    +    H2↑     (氧化还原反应)

 

 

 

2、原电池中正、负极的判断

电流方向------(外电路)正极流向负极,(内电路)负极流向正极

 

电子流向 ------(外电路)负极流向正极,(内电路)正极流向负极

 


负极                                               正极

(氧化反应)                                       (还原反应)

 

3、原电池中正、负极材料的选择:

负极:还原情较强的金属,发生氧化反应,向外电路提供电子

正极:还原性较弱的金属,发生还原反应,从外电路得到电子

 

 

4、构成原电池的条件:

(1)、有两种两种活泼性不同的金属(或一种是非金属导体)作电极;

(2)、有能跟较活泼的电极发生反应的电解质溶液,且电解质溶液必须连通;

(3)、必须形成闭合电路。

 

5、原电池的原理:

较活泼的金属发生氧化反应,电子从较活泼的金属(负极)流向较不活泼的金属或非金属导体(正极)。

1化工设备的腐蚀图片介绍 

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 在水中正在腐蚀的压力管道                                                    正在不断腐蚀的冷却水排

 

 

 

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 因腐蚀而爆开的压力管道                                                     这些密集的小坑窝窝都是一个个的原电池

 

 

 

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 压力管道被腐蚀得薄如蝉翼                                                正在潮湿的环境里不断腐蚀的压力容器壁

 

 

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 管道壁被腐蚀得就像山区的立体地图                                潮湿的环境里,正在向深处不断腐蚀的管道

 

 

 

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                          受水迸溅而严重腐蚀的压力管道

 

 

 

 

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 因潮湿而一层层腐蚀一层层剥落的管道                                    在水中不断腐蚀的压力容器

 

 

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       气柜因深度腐蚀,内壁就像粗纱布,曾经造成气柜壁许多处穿孔,漏气就会造成

不安全。且数次修补,焊贴,这样不但因停车而造成经济损失,同时焊接也会带来巨

大的危险。气柜---由于必须采用内部水封,且半水煤气内含有的气体、杂质成分复杂,

具有腐蚀性的物质很多,内壁腐蚀是绝对不可避免的。

      对于造价几十万元,甚至于上百万元的气柜来说,仅仅采取油漆的措施,是远远

不够的,应该、也必须同时采取电化防腐技术来抑制腐蚀。

 

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 看似外壁很光滑,其实,内壁已严重腐蚀。

上面的一块块小补丁,就是因蚀漏而补的。

 

     2无源被动牺牲阴极型(电化防腐技术之一

        (同时我们假定铁质里,含有惰性的金属镍),并通过以上的对比实验---可知:

        对于金属电化腐蚀的过程进行细致的分析,我们可以得出结论:只要是在碳钢等铁质设备上连接或者钉上比铁活性高、电势低的金属,就能够把腐蚀转移到这些活性高而电势低的金属上。(这些作为负极金属充当腐蚀自己,而保护了作为正极的铁质设备的作用。)由于锌和铝的电势比铁、镍、锡、铅、铜、银、金等都低,所以一般选择锌和铝作为负极,我们选用锌板或者铝板作为阴极,通过螺钉紧固把它与设备连接在一起,来保护设备减少腐蚀。当设备钉上这两种材料中的一种时,设备材料中的各种金属,不在相互形成原电池了,而是争先恐后的和电势更加低、活性更加高的锌或者铝形成原电池,并使之成为负极而铁或者其他杂质金属便作为正极而得到了保护。

        这种而不必外加直流电,改变腐蚀的对象的电化防腐方法--就是无源被动牺牲阴极型的阳极保护法。

          当锌板或者铝板被腐蚀后,就换上新的锌板或者铝板,对设备达到延年益寿的效果。

          其实这种应用,尽管在保护化工设备还不被人认识而普及,大多还是老习惯的利用涂防锈漆来防腐。但是在其他领域,特别是在航海和造船,这种技术早就被广泛的利用了。比如江河中的闸门、钢壳海轮等,由于它们与水经常的接触,腐蚀的速度相当的惊人,可是,只要在闸门或者船身上加几块锌板或者铝板,腐蚀就会转移到锌板或者铝板上,而闸门、船体的腐蚀速度就显著的减慢。

-------------------------------5——12——2009    深夜   3:00   喜上眉梢

 

 3具体的电化防腐器材安装技术等

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