Коррозия и растворы хлорида

Металлические материалы широко используются в различных объектах и ​​оборудовании в многочисленных промышленных секторах и повседневной жизни. Тем не менее, коррозия металла всегда была ключевым фактором, влияющим на срок службы и безопасность. Среди многих факторов, которые вызывают коррозию металлов, коррозия хлорида ионов является особенно заметной, что создает серьезную проблему для промышленного производства и поддержания инфраструктуры.

Хлоридные ионы широко присутствуют в морской воде, почве, промышленных сточных водах и в определенных конкретных химических производственных средах. Их коррозионное воздействие на металлические материалы не только повредит металлическим конструкциям, но также может привести к несчастным случаям безопасности и значительным экономическим потерям. Следовательно, глубокое понимание механизмов, влиятельных факторов и эффективных защитных мер для коррозии ионов хлорида имеет решающее значение для обеспечения безопасной и стабильной работы различных объектов.

Хлоридные ионы (Cl⁻) играют чрезвычайно активную роль в процессе коррозии. Для общих металлов, таких как сталь, реакция коррозии обычно начинается с анодного окисления на металлической поверхности. В анодной области атомы железа (Fe) теряют электроны, образуя ионы железа (Fe²⁺), которые входят в решение, образуя реакцию Fe - 2 e⁻ → Fe²⁺. В катодной области, из -за присутствия растворенного кислорода в растворе, возникает реакция восстановления кислорода: o₂ + 2 h₂o + 4 e⁻ → 4OH⁻. Ситуация становится более сложной, когда в растворе присутствуют ионы хлорида.

Хлоридные ионы обладают небольшим радиусом, высокой активностью и сильной проникающей силой. Они могут уничтожить пассивную пленку, образованную на металлической поверхности, которая обычно предотвращает дальнейшее окисление. Хлоридные ионы адсорбируются на поверхности пассивной пленки, образуя растворимые комплексы с ионами металлов. Это вызывает локализованное растворение пассивной пленки, обнажая свежую металлическую поверхность и ускоряя процесс анодного растворения. Например, в нержавеющей стали хром (CR) образует плотную пассивную пленку Cr₂o₃ на поверхности, предотвращая контакт с внешней средой.

Однако, когда присутствуют хлоридные ионы, они образуют сложный [crcl₆] ³⁻ с Cr³⁺, уничтожая пассивную пленку и вызывая локализованные явления коррозии, такие как коррозия, которая утихнет в нержавеющей стали. С микроскопической точки зрения присутствие хлоридных ионов изменяет электрохимическое равновесие на поверхности металла, ускоряя реакцию коррозии. Это основной механизм химической реакции хлоридной ионной коррозии.

(I) Питтинга: «невидимая бомба» на металлической поверхности

Ячечка, также известная как коррозия пор, является распространенным и скрытым типом коррозии ионов хлорида. В растворе, содержащем ионы хлорида, ионы хлорида преимущественно адсорбируют и разрушают пассивную пленку в определенных локализованных областях металлической поверхности из -за дефектов в пассивной пленке или других факторов. После того, как пассивная пленка будет разрушена локально, образуется крошечный анод, в то время как окружающая, более интактная, интактная область пассивной пленки становится катодом, образуя микробаттер -коррозию.

Поскольку область анода намного меньше, чем область катода, плотность анодного тока очень высока, что заставляет коррозию быстро проникать глубоко в эту крошечную область, образуя небольшие поры. Эти поры могут быть трудно обнаружить изначально, но со временем они постепенно углубляются и расширяются, в конечном итоге проникают в металл и серьезно влияя на прочность металлической структуры. Например, корпус корабля в морской среде подвергается воздействию долгосрочного контакта с морской водой, где высокие концентрации хлоридных ионов могут легко вызвать коррозию для ямков. После того, как произойдет коррозия, она может продолжать развиваться в незаметных областях в корпусе. К тому времени, когда это обнаружено, это может уже представить угрозу безопасной навигации корабля.

(Ii) Коррозия трещины: скрытый «драйвер эрозии»

Коррозия трещины обычно происходит в металлических или металле или металле с неметальными суставами, такими как те, которые встречаются в прокладках, болтах и ​​заклепках. Когда раствор, содержащий ионы хлорида, входит в эти щели, пополнение кислорода затруднено из -за ограниченного потока раствора в расщелинах, образуя клетку концентрации кислорода. Области с дефицитом кислорода в пределах щели действуют как аноды, вызывая растворение металлов, в то время как богатые кислородом участки за пределами щели действуют как катоды.

В то же время ионы хлоридов накапливаются в расщелинах, что еще больше ускоряет процесс коррозии. Коррозия щели характеризуется концентрированной коррозией внутри и вокруг щелей. По мере накопления коррозионных продуктов среда медиа в пределах щели становится все более враждебной, ускоряя скорость коррозии. Если фланцевые суставы некоторых промышленных оборудования плохо герметизированы, обработанные жидкости, содержащие ионы хлорида, могут легко попасть в промежутки, вызывая коррозию от щели и приводя к утечке оборудования.

(Iii) Коррозионное растрескивание напряжения: коллапс металла под «внутренними и внешними атаками»

Коррозионное растрескивание стресса является результатом комбинированного эффекта коррозии ион хлорида и растягивающего напряжения. При растягивающем напряжении внутренняя кристаллическая структура металла искажается, увеличивая плотность дислокации и повышая энергетическое состояние поверхности металла, что делает ее более восприимчивым к коррозии. Когда в окружающей среде присутствуют ионы хлорида, они преимущественно адсорбируются на дефектах или концентрациях напряжений на поверхности металла, разрушая пассивную пленку и вызывая коррозию ячеек или расщелину.

По мере развития коррозии коррозионные ямы или кончики трещин продолжают расширяться под растягивающим напряжением, что в конечном итоге приводит к внезапному перелому металла. Этот тип коррозии очень разрушительна и часто встречается без явного предупреждения. Например, в нефтехимической промышленности трубопроводы высокого давления подвержены воздействию коррозии на напряжении, если среда, которую они транспортируют, содержит ионы хлорида, а трубопроводы подвергаются растягиванию напряжения от установки или внутреннего давления. Как только трубопровод разрывается, это может вызвать серьезные несчастные случаи на безопасности.

(I) концентрация ионов хлорида: «ускоритель» коррозии

Концентрация ионов хлорида является одним из наиболее важных факторов, влияющих на коррозию. Вообще говоря, чем выше концентрация иона хлорида в растворе, тем быстрее скорость коррозии металла. По мере увеличения концентрации ионов хлорида больше ионов хлорида способны участвовать в разрушении пассивирующей пленки на металлической поверхности. Кроме того, в коррозионных микроэлементах высокие концентрации ионов с высоким содержанием хлорида усиливают движущую силу реакции анодного растворения.

Например, в морской воде содержание ионов хлорида составляет приблизительно 19 000 мг/л, намного выше, чем в пресной воде. Это делает металлические структуры в морской среде более восприимчивыми к коррозии. Исследования показали, что для углеродистой стали в растворах ионов хлоридов, увеличение концентрации ионов хлорида с 100 мг/л до 1000 мг/л может увеличить скорость коррозии в несколько раз.

В некоторых промышленных процессах, таких как хлор-аналккали и бумажная промышленность, сточные воды, полученные во время производства, содержат высокие концентрации хлоридных ионов. Если выписано непосредственно без лечения, это представляет серьезную угрозу коррозии для окружающей металлической инфраструктуры.

(Ii) PH раствора: «коррозионный баланс» кислотно-основной среды

PH раствора также значительно влияет на коррозию ионового хлорида. В кислой среде высокая концентрация ионов водорода (H⁺) способствует анодному растворению металла и облегчает повреждение ионов хлорида пассивационной пленке.

При низком pH продукты коррозии на металлической поверхности могут существовать в качестве растворимых солей, не образуя эффективную защитную пленку, тем самым ускоряя процесс коррозии. Например, в растворах ионов хлорид с рН 4-5 скорость коррозии стали значительно выше, чем в нейтральных средах. В щелочных средах гидроксидные осадки могут образовываться на поверхности металла, которая в определенной степени предотвращает контакт с металлом и медленной коррозией хлорида.

Однако, когда щелочность слишком сильна, некоторые металлы, такие как алюминий, могут испытывать щелочную коррозию. Для большинства металлов в растворах ионов хлорида коррозия ионов хлорида наиболее выражена в нейтральной или слегка кислой средах.

(Iii) температура: «катализатор» химических реакций

Повышение температуры ускоряет скорость химических реакций, а коррозия ионов хлорида не является исключением. По мере повышения температуры скорость диффузии ионов в растворе ускоряется, ускоряя кинетику реакции коррозии на поверхности металла. С одной стороны, температура повышения повышает активность атомов металлов, что делает их более вероятностью терять электроны и подвергаться анодному окислению. С другой стороны, ионы хлоридов также увеличивают свою способность повредить пассивационную пленку при высоких температурах.

Например, в химическом производстве оборудование, используемое в высокотемпературных процессах, может испытывать значительное увеличение скорости коррозии при воздействии среды, содержащих ионы хлорида. Данные исследований показывают, что для углеродистой стали в водных хлоридных растворах скорость коррозии может увеличиться на 20-30% при каждом повышении температуры на 10 градусов.

Однако, когда температура повышается до определенного уровня, содержание растворенного кислорода в растворе может уменьшаться, что, в свою очередь, влияет на реакцию коррозии поглощения кислорода катода, что приводит к сложному воздействию на скорость коррозии.

(I) Выбор материала: строительство сильной защиты в источнике

Выбор соответствующих хлорид-резистентных материалов является ключевой мерой для предотвращения коррозии. Для сред, требующих высокой коррозионной стойкости, могут использоваться такие материалы, как сплавы на основе нержавеющей стали и никеля. Различные типы нержавеющей стали обладают различной устойчивостью к коррозии ионо -хлорид. Например, добавление молибдена (МО) к 316L из нержавеющей стали усиливает ее сопротивление коррозии размывания хлоридными ионами.

На основе никелевых сплавов, таких как Hastelloy, из-за характеристик их состава из сплава демонстрируют превосходную коррозионную стойкость в высокотемпературных, высоких и высоко коррозионных средах, содержащих ионы хлорида. В области морской техники некоторые ключевые структурные компоненты производятся с использованием сплавов на основе никеля, которые эффективно противостоят коррозии морской воды.

Кроме того, в зависимости от конкретной среды использования, металлические материалы могут быть спланированы для добавления таких элементов, как хром (CR), молибден (MO) и азот (N), чтобы оптимизировать микроструктуру материала и повысить его сопротивление к коррозии иорида хлорида.

Ионы хлорида чрезвычайно коррозии к титану при комнатной температуре в нейтральной среде, а оксидная пленка, образованная на поверхности титана, эффективно сопротивляется атаке хлорида. Титан демонстрирует превосходную коррозионную стойкость в большинстве хлоридсодержащих сред, в первую очередь из-за следующих механизмов:

Защита пленки пассивации: титан спонтанно образует плотную оксидную пленку (tio₂) в воздухе, эффективно блокируя ионы хлорида от контакта с субстратом. Это особенно стабильно при влажном газе хлора или растворах нейтрального хлорида.

Химическая инертность: титан практически нереактивен с хлоридными ионами в условиях нейтральной кислоты и щелочи. Он образует только тетрахлорид титана в высокореактивных средах (таких как высокие температуры и низкое содержание воды) и вызывает коррозию.

(Ii) Защита от покрытия: защита металлов с «защитной одеждой»

Защита от покрытия является широко используемым методом защиты от коррозии. Органические покрытия, такие как краски эпоксидной смолы и полиуретановые краски, образуют изолирующий слой на металлической поверхности, предотвращая прямой контакт между ионами хлорида и металлом. Толщина покрытия, адгезия и целостность имеют решающее значение для эффективной защиты. Во время процесса покрытия убедитесь, что металлическая поверхность является чистой, а покрытие однородное и плотное, избегая дефектов, таких как выходы и пузырьки.

Для некоторых суровых коррозионных сред, также могут использоваться тепловые распылительные покрытия, такие как применение цинка или алюминия. Эти покрытия используют жертвенную анодную защиту этих металлов для защиты основного металла. Например, на стальных конструкциях оффшорных масляных платформ композитная защитная система, сочетающая в себе тепловые алюминиевые покрытия с органическими герметичными покрытиями, может эффективно продлить срок службы стальных конструкций.

(Iii) применение ингибиторов коррозии: «ингибиторы» реакций коррозии

Ингибиторы коррозии - это вещества, добавленные в коррозионные носители, чтобы снизить скорость коррозии металлов. В растворах, содержащих хлорид, некоторые ингибиторы коррозии могут использоваться для ингибирования коррозии. Неорганические ингибиторы коррозии, такие как хроматы и нитриты, предотвращают коррозию, образуя пассивирующую пленку на металлической поверхности. Однако их токсичность ограничивает их использование.

Органические ингибиторы коррозии, такие как имидазолины и амины, адсорбируются на поверхности металлов, изменяя распределение заряда и энергию активации реакции коррозии, тем самым ингибируя процесс коррозии. Выбор и концентрация ингибиторов коррозии должны быть оптимизированы на основе конкретной коррозийной среды и материала металла для достижения оптимальной защиты. В некоторых промышленных системах циркулирующей охлаждающей воды добавление соответствующего количества ингибитора коррозии может эффективно контролировать коррозию ионового хлорида на трубах и оборудовании.

В будущем, благодаря непрерывному развитию таких областей, как материаловая наука и поверхностная инженерия, мы считаем, что более продвинутые технологии и методы будут применяться к защите коррозии хлорида ионов, что еще больше продлит срок службы металлических материалов в сложных коррозионных средах.