電解液管路腐蝕特點(diǎn)及實(shí)例分析

摘要： 目前國(guó)內(nèi)制造燒堿的方法主要有兩種，一種方法是離子膜電解法，另一種方法是隔膜電解法。他們的原理相同，但兩種方法生產(chǎn)出來(lái)的電解液的成分不同。所以，兩種電解液的管道及設(shè)備的腐蝕情況不盡相同。

關(guān)鍵詞： 電解液 離子膜 隔膜 奧氏體不銹鋼

1.導(dǎo)言

無(wú)論是離子膜電解法還是隔膜電解法它們都有相同的化學(xué)反應(yīng)方程式：

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Cl2 +H2

下面分別介紹隔膜法電解的原理及電解液、氫氣、氯氣的分離過(guò)程，從中找出導(dǎo)致兩種電解液成分不同的原因。

隔膜電解法

原理：隔膜電解就是用隔膜電解槽（即在電解槽陰陽(yáng)極之間設(shè)置一層隔膜）進(jìn)行電解生產(chǎn)，其陽(yáng)極為石墨陽(yáng)極或金屬陽(yáng)極，陰極為鐵陰極。當(dāng)直流電通過(guò)飽和食鹽水溶液時(shí)，在陽(yáng)極上產(chǎn)生氯氣，在陰極上產(chǎn)生氫氣和氫氧化鈉。

產(chǎn)品分離過(guò)程：電解槽的陰陽(yáng)極之間設(shè)置多孔的隔膜，把電解槽分為陽(yáng)極室和陰極室兩部分。隔膜是一種多孔的隔層，它能讓電流通過(guò)，但能阻止陰陽(yáng)極電解產(chǎn)物的混合。因此，在隔膜電解槽陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣，不能進(jìn)入陰極室，經(jīng)陽(yáng)極室上方的氯氣支管導(dǎo)出；在陰極上產(chǎn)生的氫氣，不能進(jìn)入到陽(yáng)極室，由陰極箱氫氣支管導(dǎo)出，電解液經(jīng)陰極箱下方被導(dǎo)出。這樣就達(dá)到隔離和分解電解產(chǎn)物的目的。

離子膜電解法

原理：離子膜法電解生產(chǎn)過(guò)程中，陽(yáng)離子交換膜安裝在陽(yáng)極和陰極之間。作為電解質(zhì)，鹽水和堿液分別在陽(yáng)極室和陰極室循環(huán)，當(dāng)電解槽通入直流電時(shí)，食鹽水溶液發(fā)生電解，在陽(yáng)極上產(chǎn)生氯氣，在陰極上產(chǎn)生氫氣和氫氧化鈉。

產(chǎn)品的分離過(guò)程：離子膜法電解生產(chǎn)中使用的離子膜，不僅起到阻止陰、陽(yáng)極電解產(chǎn)物混合的作用，更重要的是使鈉離子選擇性透過(guò)離子膜，阻止與Cl - 的滲透（遷移）和OH- 的反滲透。離子交換膜帶有負(fù)電荷，陽(yáng)極室內(nèi)的鈉離子帶有正電荷，由于二者的親合性，鈉離子能夠順利地透過(guò)離子交換膜而到陰極區(qū)去，在那里遇到OH- 即形成NaOH，而Cl- 和OH- 帶有與膜相同的負(fù)電荷，因而被膜排斥無(wú)法通過(guò)。這樣可以得到較高純度的NaOH。陰極產(chǎn)生的NaOH和H2 ，陽(yáng)極產(chǎn)生的Cl2 和淡鹽水經(jīng)陰、陽(yáng)極分離器分離，氯氣和氫氣進(jìn)入到各自的管道，成品堿進(jìn)入到成品堿儲(chǔ)罐，淡鹽水進(jìn)入到淡鹽水循環(huán)罐循環(huán)使用。

2.離子膜堿、隔膜堿出口溫度、組分及含鹽量對(duì)比

從電解液質(zhì)量組分對(duì)比情況看離子膜堿主要由NaOH和純水組成，只含極少量的NaCL，而隔膜堿中除含NaOH以外，還含有大量的NaCl，綜上可知，隔膜堿所選用管道及設(shè)備的材料既要耐燒堿的腐蝕還要耐鹽水的腐蝕。

3.燒堿腐蝕與鹽水腐蝕的特點(diǎn)

燒堿是一種強(qiáng)堿，在常溫下腐蝕不嚴(yán)重，但在高溫和應(yīng)力存在下對(duì)許多金屬產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。鋼鐵在常溫、較稀的氫氧化鈉溶液中，表面產(chǎn)生堅(jiān)固的保護(hù)膜，所以在工業(yè)生產(chǎn)和貯運(yùn)低濃度常溫氫氧化鈉溶液或固體時(shí)，用途很廣泛。當(dāng)濃度高于30%，溫度高于800C時(shí)，鋼鐵的腐蝕迅速增加，溫度越高，腐蝕越嚴(yán)重，承受應(yīng)力的部件（如焊接設(shè)備焊縫附近的殘余應(yīng)力區(qū)）就容易發(fā)生危險(xiǎn)的的應(yīng)力腐蝕破裂——堿脆。

氯化鈉是食鹽的學(xué)名，是天然存在的最多的化學(xué)物質(zhì)之一。大多數(shù)金屬在氯化鈉溶液中的腐蝕率雖然遠(yuǎn)比在一些酸中小，但是氯化鈉對(duì)金屬的腐蝕卻不容忽視。因?yàn)樗粌H廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中，而且普遍存在于自然界中（如海水）和它接觸的材料數(shù)量非常巨大。二則雖然有些金屬在氯化鈉溶液中均勻腐蝕率不太高，但容易產(chǎn)生危險(xiǎn)的孔蝕或應(yīng)力腐蝕破裂，像著名的耐腐蝕材料不銹鋼就有這種危險(xiǎn)。此外，充氣作用、高速運(yùn)動(dòng)、湍流、電偶作用、雜散電流作用、過(guò)低的PH值，都會(huì)使金屬在氯化鈉溶液中的腐蝕顯著增大。

4.隔膜電解液管道腐蝕情況

04年我公司對(duì)隔膜電解液管道進(jìn)行了改造，將原來(lái)選用的碳鋼管改為不銹鋼（316型），因?yàn)椋?16型）不銹鋼屬于鉻鎳不銹鋼，它適用于中等濃度和中等溫度的堿液，并且在離子膜電解液管道上也是廣泛使用。這次改造意在延長(zhǎng)管道的使用壽命。但是，改造后的管道在使用后一個(gè)月內(nèi)就發(fā)生了嚴(yán)重的泄漏。泄漏首先發(fā)生在電解液管道的焊接接口的熱影響區(qū)附近。這是由于熱影響區(qū)內(nèi)的淬硬傾向大，存在焊接殘余應(yīng)力，同時(shí)隔膜電解液中又存在著大量的氯離子，所以，在管道的焊接接口附近發(fā)生氯離子“應(yīng)力腐蝕破裂”。發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的臨界氯離子濃度隨溫度的上升而減小，高溫下，氯離子濃度只要達(dá)到10-6mg/kg （ppm），即能引起破裂。發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的臨界溫度為70 0C。（隔膜堿出口溫度：90-105℃）不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋是典型的的枯樹(shù)枝狀穿晶型裂紋。這種現(xiàn)象很快就發(fā)展到管道的每一道焊縫，并且裂紋的尖端由于存在很大的應(yīng)力，所以，裂紋擴(kuò)展速度很快，腐蝕進(jìn)一步加劇。與此同時(shí)，管道終端的盲板也出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕，腐蝕形式為盲板處發(fā)現(xiàn)多處孔洞，從而可以判定該腐蝕為“孔蝕”。“孔蝕”發(fā)生是因?yàn)椴讳P鋼是容易鈍化的金屬，電解液中溶解的氧促成產(chǎn)生鈍化膜，但由于隔膜電解液中含有大量的氯離子，而氯離子卻能引起鈍化膜的局部破損。鈍化膜的微小破口和周圍大面積的膜構(gòu)成“鈍化—活化電池”，引起破口電流高度集中，產(chǎn)生孔蝕。電解液中溶解的氧，特別是強(qiáng)烈的去極劑三氯化鐵，將加速電池的工作。使不銹鋼在幾個(gè)月或更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生穿孔。綜上所述，氯離子造成的“應(yīng)力腐蝕破裂”和“孔蝕”是造成隔膜電解液管道腐蝕的根本原因。

除氯離子造成的“應(yīng)力腐蝕破裂”和“孔蝕”以外，還有雜散電流的腐蝕促進(jìn)和加快了腐蝕進(jìn)度。雜散電流的產(chǎn)生是隨隔膜電解液一起進(jìn)入到電解液管道。

5.電解液管道的選材

離子膜電解液管道選用316L和304兩種，離子膜電解槽到成品堿罐的管道選用316L，成品堿罐到燒堿蒸發(fā)的管道選用304，離子膜電解液成品堿泵使用316L。 這是因?yàn)殂t鎳不銹鋼適用于中等濃度和中等溫度的堿液，如：1000C和50%以下的堿液。

4.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了氯堿行業(yè)廣泛使用的兩種電解食鹽法所生產(chǎn)的電解液的腐蝕情況，通過(guò)生產(chǎn)的實(shí)際使用，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。通過(guò)對(duì)隔膜電解液腐蝕特點(diǎn)的分析，將提高隔膜系統(tǒng)生產(chǎn)的穩(wěn)定，有利于電解系統(tǒng)長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定的運(yùn)行。但由于作者水平有限，文章中出現(xiàn)錯(cuò)誤再所難免，還請(qǐng)讀者見(jiàn)諒。

參考文獻(xiàn)

腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè) 化學(xué)工業(yè)出版社，2004年

防腐蝕技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例 化學(xué)工業(yè)出版社，2002年

壓力管道安全技術(shù) 東南大學(xué)出版社，2001年

作者簡(jiǎn)介

鄭芳 （1980-），工程師，2003年7月畢業(yè)于沈陽(yáng)化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)任天津大沽化工投資發(fā)展有限公司 設(shè)計(jì)所 設(shè)計(jì)員。