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不銹鋼和鈦材在IPA裝置中現場掛片腐蝕性能研究

文檔作者：程學群，李曉剛，杜翠薇文檔來源：北京科技大學材料科學與工程學院		點擊數：	更新時間： 2025年10月21日
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第37卷第5期
2008年9月
石油化工設備
PETR( CHEMICAI EQUIPMENT
Vo1．37 NO．5
Sept． 2008
文章編號：1000—7466(2008)05—0022—04
不銹鋼和鈦材在IPA裝置中
現場掛片腐蝕性能研究
’ 程學群，李曉剛，杜翠薇
(北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083)
摘要： 選用316L不銹鋼、317L不銹鋼和Ti材3種材料，在間苯二甲酸(IPA)生產線氧化車間的8
個典型位置進行了2 620 h的現場掛片試驗，用失重法計算了3種材料在8個位置的腐蝕速率。試
驗結果表明，高溫醋酸溶液中溴離子極大地加劇了316L不銹鋼的腐蝕速率；提高不銹鋼中Mo和
Cr元素的質量分數有助于增強其在高溫醋酸中的耐蝕性。
關鍵詞：不銹鋼；IPA裝置；現場掛片；腐蝕
中圖分類號：TG 172．6 文獻標志碼：A
Research on Field Corrosion Behavior of Stainless Steel
and Titanium—alloy in IPA Production Line
CHENG Xue-qun， LI Xiao—gang， DU Cui—wei
(School of Materials Science and Technology，University of Science and
Technology Beijing，Beijing 100083，China)
Abstract：Field corrosion behavior of 316L stainless steel，317L stainless stee1，and titanium-alloy
were measured．The experiments were carried out in 8 typical sites of isophthalic acid (IPA)
production line for 2 620 hours．Corrosion rates of different materials were given through weight
lOSS method．The result showed that bromine can aggravate corrosion for 316L stainless steel，and
the elements of M o and Cr were beneficial to the increasing of corrosion resistant of stainless steel
in high tem perature acetic acid．
熔池中氫的來源，活性劑消除氣孔主要是冶金作用
生成HF的結果。
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(杜編)
收稿日期：2008—04—24
作者簡介：程學群(1977一)，男，湖北黃梅人，講師，博士，主要從事石油化工設備腐蝕與防護工作。
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第5期 程學群，等：不銹鋼和鈦材在IPA裝置中現場掛片腐蝕性能研究
Key words：stainless steel；IPA production；field test；corrosion
隨著絕緣材料等行業的快速發展，對不飽和
樹脂的增長需求帶動了國內間苯二甲酸(IPA)的
需求。間苯二甲酸的生產是以純度高于99 的間
二甲苯為原料、醋酸為溶劑、壓縮空氣為氧化劑進
行催化氧化反應制得的。目前廣泛采用的工藝是
以Co(CH。COO)2／Mn(CH。Co()) ／溴化物作催化
劑。該工藝對設備材質要求高，其設備通常采用金
屬鈦材襯里，這種方法適合于大規模連續生產的
裝置。
由于市場的需求，國內一些以前生產對苯二甲
酸(PTA)的廠家直接改為生產IPA產品。根據國
外的經驗，生產PTA和IPA可以采用同樣的裝置，
但是國內裝置所用的設備材料與國外不盡相同，因
此，一些石化公司在改產以后，往往發現氧化車間的
腐蝕較先前嚴重口 ]。因此，筆者對精對／間苯二甲
酸(PTA／IPA)生產裝置氧化車間設備的腐蝕狀況
進行了現場掛片試驗研究，此項研究的目的是為氧
化車間的設備選材提供基礎數據，對現有設備的使
用及評估提供科學的依據。
1 試驗方法
本研究選取316L不銹鋼、317L不銹鋼及鈦材
3種材料，分別在氧化車間的8個位置進行現場掛
片試驗。試驗材料的化學成分見表1。
表1 試驗材料的化學成分f質量分數) ％
拄：1)表不余F成分全部為基材。
試驗選取的8個典型位置環境介質見表2。現 B一8
． 76
場掛片試樣持續時間總計2 620 h，試樣取回后立即 lD
用電子掃描顯微鏡(sEM)觀察試樣表面腐蝕形貌， 式中，B為按深度計算的腐蝕率，mm／a~v為按質量
采用電子能譜(EDs)檢測試樣表面膜的成分，采用 itgNNNigg，g／(m。·h)；lD為金屬材料的密度，
失重法計算材料的腐蝕速率并分析腐蝕機理。 g／ m 。
表2 掛片位置的環境介質條件 2 結果和討論
失重法腐蝕速率 的計算公式如下：
一
W 0一 I— w 2
u 一— — 一
式中，A為試樣面積，m ；，為試驗周期，h；W。為試
樣原始質量，w 為試驗后去除腐蝕產物后試樣的
質量，w：為空白樣的校正質量損失，g。
由于本試驗中3種材料的密度并不相同，這種
腐蝕速率單位并不能表征腐蝕的損耗深度，因此需
將平均腐蝕速率換算成單位時間內的平均侵蝕深度
(腐蝕率，mm／a)，其換算公式為：
2．1 試驗結果
由失重法計算3種材料在8個典型位置掛片試
驗的腐蝕速率結果見表3。
316L不銹鋼在HT605、HD604和HT701這3
個位置的腐蝕微觀形貌圖見圖1。
表3 3種材料在8個典型位置掛片
試驗的腐蝕速率 mm／a
由表3可知，316L不銹鋼在8個位置的腐蝕速
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石油化工設備 2008年第37卷
(a)HT605位置
(b)HD604位置
(c)HT701位置
圖1 316L不銹鋼不同位置的腐蝕微觀形貌圖
率大小依次為HT605位、HD604位、HT701位、
HD202位、HD403L位、HD501位、HD204位、
HD403G位。根據文獻E43，316L在聚酯生產中允
許的腐蝕速率一般在0．005 8～0．017 4 mm／a。據
此，316L不銹鋼在HT605、HD604和HTT01這3
個位置的腐蝕速率均超過了這個參考值。圖1顯示
316L不銹鋼在HT605位置發生了嚴重的點腐蝕，
這是由于介質中存在侵蝕性強的溴離子，溴離子破
壞了不銹鋼表面的鈍化膜導致點腐蝕發生。在
HD604和HT701位置發生了明顯的均勻腐蝕，表
明當醋酸的溫度達到或超過130℃時，介質中即使
不含溴離子，316L不銹鋼仍然會發生一定程度的均
勻腐蝕。HD430G和HD403L這2個位置的介質
成分相同，但前者是氣相而后者是液相，試驗結果表
明，316L不銹鋼在液相中的腐蝕速率比在氣相中的
大，這可能是由于液相中溴離子的濃度比氣相中高
所致。
317L不銹鋼在HT605位置的腐蝕微觀形貌圖
見圖2。
由表3可知，317L不銹鋼在8個位置的腐蝕速
率大小依次為HT605位、HT701位、HD604位、
HD204位、HD501位、HD403L位、HD202位、
HD403G位。據阿莫柯公司的數據，317L不銹鋼在
聚酯生產中允許的腐蝕速率一般在0．005 8～
0．061 0 mm／a，據此，317L不銹鋼在8個位置的腐
蝕速率均在參考值范圍內，但在HT605位置的腐
蝕速率接近參考值的上限。由圖2可知，317L不銹
鋼在該位置仍發生了輕微的點腐蝕。
圖2 317I 不銹鋼在HT605位置的腐蝕微觀形貌圖
鈦材在8個典型位置的腐蝕速率非常低，通常
采用其外觀來判斷腐蝕情況更為真實 “]。鈦材腐
蝕與外觀顏色的關系見表4。
表4 鈦材腐蝕與外觀顏色關系
銀白色
金黃色
藍紫色或五彩色
灰色
黑色
優良
良好
尚好
有腐蝕和吸氫
嚴重腐蝕和吸氫
將現場掛片試樣的顏色與表4對比表明，試樣
在HD604和HT605這2個位置呈現金黃色外觀，
其余位置均呈現銀白色外觀，這表明鈦材在8個掛
片位置均有很好的耐蝕性。
2．2 討論
(1)溫度對材料在高溫醋酸溶液中耐蝕性的影
響金屬發生腐蝕時的主要陰極反應是溶液中的
H 或溶解氧的還原 ]。醋酸溶液中的氧化劑主要
是醋酸電離的H 和溶解在溶液中的氧氣。在低溫
時，由于醋酸是弱電解質，而且醋酸溶液中氧的溶解
量大，陰極反應主要是溶解氧的還原，即醋酸溶液具
有一定的氧化性。陽極反應是受鈍化控制的活化溶
解過程，金屬處于鈍化區，宏觀表現為在金屬表面生
成致密的鈍化膜，鈍化膜的形成阻止了腐蝕的繼續
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第5期 程學群，等：不銹鋼和鈦材在IPA裝置中現場掛片腐蝕性能研究 。25。
發展。隨著溫度的升高，醋酸電離度增大，溶液中電
離出大量H一。同時，溫度升高導致溶液中溶解氧
量下降，陰極反應逐漸由溶解氧的還原反應轉變成
H 的還原反應，即醋酸溶液的還原性增強，金屬腐
蝕速度增大。陽極反應的結果不再是形成鈍化膜，
而是以離子形式溶入溶液，一旦金屬表面的鈍化膜
破損，由于在還原性介質中．金屬表面鈍化膜不能自
動修復，因此腐蝕速率會迅速增大 ’。 。由本文試
驗結果可以看出，隨著溫度的升高，3種材料的腐蝕
速率都有增大的趨勢。
(2)合金元素對不銹鋼在高溫醋酸溶液中耐蝕
性的影響 為了研究Cr、Ni和Mo元素在合金中的
作用，將純鉻、純鎳和純鉬置于92 醋酸溶液中，控
制溫度分別為9o 和110℃ ．72 h后測量其腐蝕
電位，結果見表5。
表5 純鎳、純鉻和純鉬在92 醋酸溶液
中的開路電位 mV
試驗采用的醋酸溶液pH 值接近0，因此氫電
極的平衡電位可由能斯特公式求出：
EH一0+0．0591og[H一]≈0
在該試驗條件下，如果金屬的電位為負，那么就
有可能發生氫去極化腐蝕。
由表5可以發現，在9O℃ 時，3種單質的自腐
蝕電位均大于0。表明提高合金中Cr、Ni和Mo元
素的質量分數有利于提高金屬平衡電位值。從而達
到減小腐蝕電流的目的。當溫度達到110℃時，純
鎳的自腐蝕電位為一50 mV．已經由鈍化區過渡到
活化溶解區，此時已不能形成穩定鈍化膜。純鉻和
純鉬的自腐蝕電位仍保持在0以上，因此繼續提高
合金中鎳質量分數對提高合金耐蝕性已經沒有作用
了。316I 不銹鋼的Cr、Mo和Ni元素的質量分數
均比317I 不銹鋼低，可以推測，在低溫醋酸中提高
Cr、Mo和Ni元素的質量分數，有利于提高不銹鋼
的耐蝕性；而在高溫醋酸中提高Cr和Mo元素的質
量分數對提高不銹鋼的耐蝕性有顯著影響，增加Ni
元素的質量分數對提高耐蝕性沒有幫助。
(3)鈦材在高溫醋酸中耐蝕性分析 鈦在醋酸
中具備優異的耐蝕性主要是由于其表面會形成致密
的鈍化膜 。鈦的氧化膜一般可通過與分子氧反
應形成：
ri+ 【】!一 FiOe
也可通過與H。O中的氧原子反應形成：
Ti+ 2H1 0一Ti()!+4 H +4e
T 一+2H?()一Ti()：+4H一+ (4一m)e
因此，鈦在電介質中只要有水存在就會發生鈍
化，這是水中的氧參與保護性氧化膜的形成，而不是
溶解在電介質中的分子氧參加氧化膜的生成。鈦在
醋酸溶液中形成鈍化膜的氧化劑除單質氧外，還包
括水、Fe 、Cu! 和C1。在IPA 裝置中物料醋酸
肯定含有水，因此鈦材始終處于鈍態，從而具備優異
的耐蝕性。
3 結論
316I 不銹鋼在HT605、HD604和HT701這3
個位置的腐蝕速率偏大．均超過了阿莫柯公司提供
的相關數據，這是由于介質中存在侵蝕性強的溴離
子，溴離子破壞了不銹鋼表面的鈍化膜導致點腐蝕
發生。當醋酸的溫度達到或超過130℃ 時，介質中
即使不含溴離子，316I 不銹鋼仍然會發生一定程度
的均勻腐蝕。317I 不銹鋼在HT605位置發生了輕
微的點腐蝕。鈦材在掛片試驗的各個位置均表現出
很好的耐蝕性。
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(杜編)

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