工业冷却水对化工设备的腐蚀与控制

工业冷却水对化工设备的腐蚀与控制

周闯

凌海道博尔气体有限公司 辽宁省凌海市 121207

摘要：本文简要分析了冷却水对设备造成腐蚀的化学原理，重点介绍了水溶液及设备整体的酸碱度、水溶液中阴离子的浓度及气体浓度等影响冷却水对设备腐蚀速度、强度的因素，提出提升对冷却水质量的控制水平、通过多元方式控制冷却水中的微生物等控制工业冷却水对化工设备腐蚀速度及强度的有效方式，供参考。

关键词：工业冷却水；化工设备；腐蚀；控制腐蚀；酸碱度

引言：在化学工业、石油工业、冶金工业以及建筑的空调系统中存在大量热工艺介质，若要使其长时间处于稳定的工作状态，需及时对其进行降温处理^[1]。一般来说,水的特性很适合作为冷却介质，将之放入特定的设备之后，在换热器的作用下，工艺介质的热量会传递至水中，实现降温。但工业冷却水会腐蚀化工等设备，必须进行有效控制。

1.冷却水对设备造成腐蚀的化学原理分析

在日常生活中，提起“腐蚀”，人们脑海中首先映入的词汇往往是“铁锈”。而“锈蚀”便是“腐蚀”中最常见的现象，是指暴露在空气中的铁制设备（钢制设备）中的铁离子在潮湿的环境下，与氧气发生了氧化还原反应，最终生成了一种新的化合物——四氧化三铁。此种物质呈现出暗红色，且会附着在铁制设备的表面，因此，人们看到的铁锈的颜色通常呈现出偏红色状。由初中化学课本有关“化学反应”章节的知识可知，如果几种物质的性能、形态较为稳定，则发生化学反应的几率较低。此间涉及另一项内容，即“发生化学反应”的过程实际上并不是两种元素之间发生反应，而是元素的离子（分为阴性和阳性）之间在互相“吸引”之下，加之所处环境的催化作用，最终重组为一种环境中原本不存在的新化合物。比如上文提到的铁锈，本质是铁离子和氧原子之间发生了化合反应。但在正常情况（空气干燥）下，氧气等物质的化学特性十分稳定，几乎不会转化为离子，故轻易不会发生氧化反应。基于此，导致铁锈最终形成的关键因素便在于“潮湿的环境”。所谓“潮湿”便是环境中存在大量的水分，而很多物质一旦接触水，便会从较为稳定的“元素”或“化合物”状态转变为“离子”状态，最终导致各个离子之间实现“重组”，即发生了化学反应。新出现的物质如果无法在短时间内得到运用（进一步发生化学反应，再次转变为游离状的离子形态），便会以稳定化合物的形态堆积于原有物质的表面，即形成“腐蚀物”。以碳含量十分低的钢为例，与水接触后，实际上便构成了水电池，阳极发生的反应为：铁元素转变为2价铁离子和两个电子，阴极发生的反应为：阳极生成的两个电子与水反应，生成氢气和两个1价的氢氧根离子。此时，铁离子一旦与氢氧根等结合，便会生成腐蚀物。
2.影响冷却水对设备腐蚀速度、强度的因素分析

上文提到，如果在干燥的环境下，氧气与铁元素之间几乎不会发生化学反应；当环境改变之后，两种原本稳定的物质会转化成离子形态，阴阳离子在互相吸引之下，最终会形成新的化合物。由此可见，环境是导致腐蚀的关键因素。于是，一个新的问题随之产生——环境是不同的，只有找到不同环境中其主要作用的因素，才能确定影响冷却水对设备腐蚀速度、腐蚀强度的主要因素。

2.1冷却水溶液及设备整体的酸碱度

化工设备往往由诸多金属材质制成。金属的化学性能原本十分稳定，只有身处溶液之中，才会从元素状态转变为离子状态。此时，金属离子与其他阴离子经过化学反应，成为性能稳定的腐蚀物的速度取决于金属本身、金属氧化物对水溶液酸碱度的敏感程度（依赖程度）。比如某种金属的氧化物容易溶于酸性水溶液，在工业冷却水如果呈现出碱性（PH值＞7），则此种金属处于该水溶液时，便能保持稳定性，受到腐蚀的几率较低。反之（酸性溶液），则受腐蚀的几率会提升

2.2水溶液中阴离子的浓度

上文提到，化学反应的本质是阴阳离子结合，成为一种稳定的，在原环境中不存在（或存量极少）新化合物。而由金属制成的化工设备即使能够溶于水，产生的离子都是正价阳离子。此时，如果水中阴离子的浓度极低，则发生“阴阳结合”的几率也较低，产生腐蚀物的速度以及数量均较低。

2.3水溶液中的溶解气体浓度

影响水溶液中阴离子浓度的一个重要因素在于：是否有足够多的气体溶于水如在持续接触空气的情况下，空气中的氧气会与水发生反应，可产生大量氢氧根离子。如果是硫化氢气体与水接触，水中硫酸根离子的浓度会大幅度增加，水溶液的酸碱度会迅速下降，从而使水溶液呈现出酸性。此种冷却水如果与易溶于酸性溶液的金属制成的化工设备接触，将会在短时间内产生大量腐蚀物。

3.控制工业冷却水对化工设备腐蚀速度及强度的有效方式

3.1提升对冷却水质量的控制水平

根据上文所述可知，若要降低工业冷却水对化工设备的腐蚀速度及腐蚀强度，首要工作便在于：必须全面提升对冷却水质量的控制水平。具体而言，2价氧离子、1价氯离子、2价硫酸根离子等均是“活跃性”极强的离子，极其容易与金属阳离子发生反应。因此，控制工业冷却水中上述离子的含量，能够显著降低腐蚀发生率和发生速度有效的方式为：根据化工设备的制成材料，向冷却水中加入适量的缓冲剂。有关研究显示，缓冲剂的加入剂量无需太多，冷却水中只需存在很少一部分，便可使金属在腐蚀性介质中的腐蚀速度大幅度降低。在不考虑成本问题的情况下，实验室内还有另一种有效控制冷却水质量的方式——加入对金属腐蚀物有作用的催化剂。前文提到，金属腐蚀物多为化学性能稳定，能够附着在化工设备金属表面的化合物。如果通过加入催化剂的方式，使这些化合物进一步发生化学反应，从稳定的化合物状态重新回到不稳定的离子状态，在理论上具备可行性。但如此一来，冷却水中各种离子的含量将会大幅度提升，经过短暂的使用后便需更换，加之催化剂的购入需要额外支出成本，故在经济性方面不如第一种方式。

3.2通过多元方式控制冷却水中的微生物

如果工业冷却水中存在大量的微生物，也会引起腐蚀。目前，工业领域常见的控制冷却水中微生物含量的有效方式为：第一，对化工设备与冷却水接触的部位进行电化学保护，即保证接触区域金属材质的化学稳定性，使其不会在水中发生阴阳离子反应，即不会从稳定的金属元素状态，通过释放电子的方式而转化为金属离子。针对阴极的保护方式为：给予金属表面足量的阴极电流，将金属表面的电位调整至“负电位”，即可避免释放电子；针对阳极的保护方式为：使金属与直流电源（外加）正极相连，即可使金属陷入“钝态”。第二，金属涂层。通过电泳、球磨的方式，完成对化工设备金属表面的电镀，主要使用铬、锌、镍等化学性质稳定的元素，可有效避免微生物对金属的侵蚀^[2]。

结语：综上所述，“腐蚀”的本质即为“化学反应”，更深的本质便是工业冷却水中的部分处于游离状的离子与化工设备内含有的一些不稳定离子，在特定条件下发生了反应，进而形成了一些能够附着在设备表面的化合物。影响腐蚀速度、强度的因素即为水（溶液）中诸多物质的浓度。因此，若要控制腐蚀，应以此为切入点。

参考文献：

[1]翟险峰.工业冷却水对化工设备的腐蚀与控制[J].化工设计通讯,2021,47(04):58-59+81.

[2]周锋.化工设备中循环水换热器的腐蚀与防护技术[J].设备管理与维修,2019(10):136-138.