仪器仪表材料在恶劣环境下的腐蚀现状

仪器仪表材料在恶劣环境下的腐蚀现状

靳新建

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摘要：近年来，我国化学工业发展迅速，因此测控技术的应用应作为化工企业设备维护人员不断推广和广泛传播，应有效加强腐蚀问题的分析和处理，认真分析和总结化学仪器存在的腐蚀问题，并采取有效措施，有效加强其处理，促进我国化学工业的发展，同时促进生产力的提高。

关键词：仪器仪表材料；恶劣环境；腐蚀

引言

仪器仪表作为科技发展的重要工具，是国家科技实力和综合国力的代表之一。随着科学技术的不断发展，仪器仪表的自动化、信息化和智能化不断升级，传统工业已经逐步向电子信息化及智能管理化发展，这不仅是工业发展中的一次质的飞跃，也是对仪器仪表的一次严峻的考验。仪器仪表的长期可靠性和环境适应性一直是困扰工业发展的重要问题，仪器仪表在服役过程中一旦出现故障，将导致灾难性后果。仪器仪表材料的腐蚀是仪器仪表面临的主要问题之一，由于仪器仪表服役环境的复杂多样性，在某些极端恶劣环境下，仪器仪表材料仍然会发生一定程度的腐蚀失效。例如，在沿海地区、海洋环境等高盐雾环境中，仪器仪表材料易受到Cl－的侵蚀，易发生点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀;在航空发动机、涡轮机、燃气机等零部件中的仪器仪表材料长期处于高温环境，易发生高温氧化腐蚀;在燃料电池、有色金属冶金、新能源发电等行业中，仪器仪表材料直接接触腐蚀性介质并伴随着高温环境，仪器仪表材料承受着熔盐腐蚀和高温氧化的双重考验。

1仪器仪表的腐蚀

化工厂的大部分仪器都是金属或合金制造的。金属和合金都没有很强的耐蚀性。因此，仪器如果长期在露天使用，很容易发生受物理因素影响的腐蚀现象。同时，仪器设备和化工原料长时间接触，受化学因素的影响，可能会发生腐蚀现象。

2仪器仪表常用材料

不锈钢材料常作为仪器仪表的壳体材料，在高温、潮湿、高盐雾的海洋环境中的海上平台、核电站、飞机发动机等服役条件下，不锈钢材料的耐蚀性能尤为重要，仪器仪表常用不锈钢材料及其成分见表1。

钛合金具有高强度、高耐蚀性等优点，是高性能结构件的首选材料，在航空发动机叶片及精密仪器仪表等零部件中受到广泛的应用，国内外常用钛合金见表2。钛合金的组织决定其性能，通常在钛合金中加入适量的合金元素来提高钛的性能。几乎所有的钛合金都含有一定含量的Al元素，进而提高合金的抗蠕变性能和抗氧化性能，通过加入V，Nb，Mo等元素提高合金的相稳定性。镍基高温合金是是以镍为基体，加入大量的强化元素，如W，Mo，Ti，Al，Nb，Co等，以保证优越的耐蚀性能和抗高温氧化性能，是高温合金中应用最广、耐高温性能最好的一类高温合金。

3仪器仪表材料在恶劣环境下的腐蚀现状

3.1仪表的电化学腐蚀

关于测量仪器的所有腐蚀问题，化学测量仪器最常见的原因是研究原因，主要是因为化学测量仪器通常是金属制造的，经常在腐蚀环境中操作。在这种情况下，金属材料会作出电反应，在腐蚀过程中，由于电化学作用，可能会出现腐蚀问题。关于电化学腐蚀，介质和大气中最常见的腐蚀，主要是化学加工中的腐蚀溶液，如酸、碱液、盐等，可能导致化学仪器中金属材料的腐蚀。大气腐蚀，特别是化学生产活动中的腐蚀，会导致化学仪器电子零件和电路的腐蚀，如果冷凝膜中存在二氧化硫或氯。

3.2钛合金在盐雾环境下的腐蚀

TC4钛合金在中性盐雾环境下240h后，合金表面并无明显腐蚀坑等局部腐蚀现象存在，相比于不锈钢，TC4钛合金耐盐雾腐蚀明显优于不锈钢。经盐雾腐蚀576h后，表面发生点蚀，且XＲD结果显示，TC4经过576h盐雾腐蚀后，表面存在一层主要由Ti2O和TiO2组成的氧化膜。经盐雾腐蚀960h后，钛合金表面进一步被腐蚀，表面点蚀坑数量明显增加，点蚀深度约为6μm，钛合金表面氧化膜被破坏。电化学测试结果表明，经盐雾腐蚀960h后的TC4钛合金容抗弧明显大于未腐蚀的抛光样品。经抛光后的TC4钛合金表面氧化膜被去除，无法为基体提供耐蚀性保护，而经过960h后的TC4钛合金阻抗模值之所以增加，是钛合金表面天然氧化膜和腐蚀产物共同作用的结果，氧化膜和腐蚀产物对基体形成物理防护层，提高了钛合金的耐蚀性能。

3.3仪表的化学腐蚀

在生产活动中，由于高温干燥环境中会发生自身材料和不溶性电解质，如乙醇、苯，所以经常会发生化学硬化和腐蚀。例如，最典型的化学腐蚀问题是那些来自石油化工生产中分解装置和硫磺沸腾炉中化学仪器本身的金属材料的腐蚀。

3.4镍基高温合金在高温熔盐环境下的腐蚀

高温熔盐环境中，镍基高温合金相比于Fe基高温合金，表现出更好的抗氧化性和抗腐蚀性。Ni－Cr－W基高温合金在700℃的Na2SO4－NaCl熔盐15h后，基体表面生成双层结构的氧化层，氧化层中夹杂着腐蚀产物，氧化层外层由粗大晶粒组成，并存在孔洞和裂纹，内层由细小晶粒组成，相比于外层，内层更加均匀致密。在高温熔盐环境中，基体/熔盐界面发生复杂的化学反应，基体中Cr元素向外迁移，熔盐中S元素向内迁移，同时在高温作用下，发生化学反应，生成NiO，Ni3S2，Cr2O3等腐蚀产物，形成双层结构的氧化层，氧化层在一定程度上可以为基体提供耐蚀性保护。镍基高温合金具有良好的高温力学性能，但在恶劣的高温熔盐环境下，镍基高温合金的力学性能随着腐蚀时间有所下降，Ni－Cr－W高温合金力学性能整体上随着腐蚀时间增加而呈现不规律下降，腐蚀10h后的抗拉强度相比于腐蚀5h后的抗拉强度有所上升，这是由于在腐蚀前期，高温使高温合金中的碳化物在晶界处析出，发生弥散强化，对合金力学性能有所提高，当腐蚀时间大于10h后，熔盐的侵蚀作用占据主导作用，Ni－Cr－W高温合金的力学性能急剧下降。

3.5物理腐蚀

这种腐蚀主要是化学仪器材料的机械和物理效应造成的，高压阀门零化引起的许多腐蚀情况下最大的腐蚀问题，以及氢循环仪器在硝酸铵组成方面的腐蚀是一个普遍存在的物理侵蚀问题。

3.6钛合金在高温环境下的腐蚀

钛合金的比强度高，耐蚀性能好，但是钛合金的高温性能差。针对于高温氧化环境，Ti－6Al－4V是研制成功的第一种高温钛合金，纯Ti和Ti－6Al－4V分别在750℃的空气和H2/H2O氛围中加热250h后，空气中的Ti－6Al－4V腐蚀速率略高于纯Ti，这是由于在空气中，基体表面主要以氧化为主，由于Al元素和V元素的加入，加快了氧化过程，导致Ti－6Al－4V氧化速率略高。然而在H2/H2O氛围中，纯Ti腐蚀速率明显高于Ti－6Al－4V，这是由于在H2/H2O氛围中，基体表面受到氧化反应和化学/电化学反应混合作用，经高温作用后，纯Ti表面氧化层由TiO2组成，不能为基体提供耐蚀性能保护;Ti－6Al－4V表面氧化层由Al2O3和TiO2组成，对基体具有良好的保护作用。钛合金中加入Al元素可以提高钛合金的耐蚀性能，Nb元素可以提高钛合金的塑性，Ti2AlNb在923K中1000h后，质量增重仅为1．91mg/cm2，氧化层厚度约为4．2μm;然而在1023K中1000h后，质量增重为84．75mg/cm2，氧化层厚度约为243μm。

结束语

综上所述，化工仪表是化工企业中应用最广泛的仪器部件，对于促进化工仪器的性能和完成生产任务至关重要。作为新时代的化工企业，必须认真分析和总结日常运营中可能发生的腐蚀影响。此外，必须结合腐蚀逻辑考虑腐蚀影响，采取有针对性的措施有效腐蚀，保证化学仪器的平稳运行，优化工业生产。

参考文献

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