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为何不锈钢换热器 可允许循环水含氯离子700mg/L?

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GB/T 50050-2017《工业循环冷却水处理设计规范》的3.1.7规定:对于不锈钢换热设备,若ROng>水走管程,可允许氯离子含量不大于1000 mg/L,若水走壳程,允许不大于700 mg/L但对温度等有要求,见下面的截图。

这与我们耳熟能详的GB/T 150.4的11.4.9.1要求奥氏体不锈钢设备水压试验用水氯离子含量不大于25 mg/L,差异巨大,如何理解?

我们可以从以下几个方面来认识一下这个问题。

一、氯离子对不锈钢设备的腐蚀

应力腐蚀:“奥氏体不锈钢- Cl-溶液”是最为常见的应力腐蚀“材料-介质”组合[1]

点蚀:易钝化的金属在含有活性阴离子(最常见的是Cl-)的介质中,最容易发生点蚀[1]

以及若结构条件具备还可能形成缝隙腐蚀,乃至晶间腐蚀等。

二、腐蚀机理

氯离子具有很强的活化性能,会破坏金属表面的氧化膜,并阻碍再次成膜,具体地有两种理论解释:

成相膜理论:氯离子半径小,穿透性强,可从不锈钢钝化膜致密孔隙中到达金属表面,并与金属相互作用形成可溶性化合物,使氧化膜结构发生变化,最终金属产生腐蚀。

吸附膜理论:该理论认为,氧或含氧离子与金属相互吸附形成稳定的吸附膜,降低金属表面的反应能力,氯离子会与氧争夺金属表面上的吸附点,甚至与金属形成氯化物,但氯化物与金属表面的吸附并不稳定,会形成可溶性物质,加速腐蚀。

三、影响腐蚀的主要因素

拉应力:包括工作应力及残余应力,特定的介质与材料组合在拉应力作用下会出现应力腐蚀开裂。

氯离子浓度:腐蚀倾向与氯离子浓度成正比,影响显著。(具体地可见文末附图)

温度:温度越高腐蚀倾向越大,影响显著。通常认为,奥氏体不锈钢在室温下不会产生氯化物开裂;50℃下长期暴露在腐蚀环境中可能发生氯化物开裂;(更具体地可见文未附图)

文献[2]中给出的实例:温度在50~80℃,氯离子含量600~700 mg/L,某奥氏体不锈钢换热器已经安全运行3年。

介质环境pH值:pH值升高会减缓腐蚀,pH低时仅产生一般腐蚀,而在pH为6~7时,18-8不锈钢对应力腐蚀最敏感。

水流速度:一定的水流速度能够保证水中充分溶解氧及金属表面的洁净状态,有利于氧化膜钝化反应的平衡,保护金属受侵蚀。反之,流速较低会在金属表面的形成沉积,甚至形成死水区,为点蚀或缝隙腐蚀提供有利条件。

四、对GB/T 50050相关规定的理解[3]

循环水中氯离子控制标准由GB50050-1995中的≤300 mg/L,提升至现在的700~1000 mg/L,其依据主要基于以下几方面:

(1)循环水处理技术的发展已能够保证循环水以自然pH运行,降低了腐蚀的风险。

(2)循环水中的氯离子浓度不是一个孤立的指标,循环水的流速、温度、浊度、硬度、菌藻、pH 等各项指标也要控制在GB 50050要求的范围内。

(3)循环水中较低的氯离子控制标准限制了循环水系统浓缩倍数的提升,不利于节水减排,造成了水资源的大量浪费。

(4)循环水中氯离子控制标准的确立是以国内大量实践经验和运行数据为基础的,是可靠的。

五、氯离子选材图

最后是两张来自某论坛的氯离子选材图。

https://bbs.hcbbs.com/thread-1085699-1-1.html

[1] 陈匡民. 过程装备腐蚀与防护[M]. 北京: 化学工业出版社,2001
[2] 董绍平. 循环水不锈钢换热器抗氯离子应力腐蚀研究[J]. 石油化工腐蚀与防护, 2012, 29(1).
[3] 潘旭东. 王向明. 循环水中氯离子控制及对不锈钢腐蚀机理探讨[J]. 工业水处理, 2013, 33(3).

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