鈦及其合金具有重量輕、比強度高、綜合機械性能好的特點，廣泛應用于航空領域，又由于鈦具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學性能和工藝性能，近年來，我國化工用鈦的范圍在不斷擴大，用量逐年增加，鈦已成為化工裝備中主要的防腐蝕材料之一。與鋼鐵、銅鋁等材料相比，使用鈦合金材料一次性投資雖高，但鋼鐵等材料只能使用一年或半年的地方，鈦卻可使用20年以上。因此，鈦合金的性能價格比遠遠高于鋼鐵和銅鋁。經(jīng)過化工部門的測算，每使用1t鈦及鈦合金材，就可節(jié)約10萬元人民幣的累計設備投資。
1、 鈦的耐腐蝕情況
鈦列管式換熱器、鈦儲罐、鈦反應釜等鈦設備耐腐蝕性強，主要是由于它對氧的親合力特別大，能在其表面上生成一層致密的氧化膜，可保護鈦不受介質腐蝕。因此，鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液中和氧化性介質中具有很好的穩(wěn)定性，比現(xiàn)有的不銹鋼和其它有色金屬的耐腐蝕性都好，甚至可與鉑媲美。但是，如果在某種介質中，能連續(xù)溶解鈦表面氧化膜時，則鈦在這種介質中便會受到腐蝕。例如，鈦在氫氟酸、濃的或熱的鹽酸、硫酸和磷酸中，由于這些溶液溶解鈦表面氧化膜，所以鈦被腐蝕。但如果在這些溶液中加入氧化劑或某些金屬離子時，則鈦表面氧化膜便會受到保護，此時鈦的穩(wěn)定性增加。
鈦在還原性酸中基本上不耐腐蝕，使用中應避免。鈦有明顯的吸氫現(xiàn)象，不管腐蝕介質中有無氫氣存在均有可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。鈦吸氫后會使鈦金屬變脆。有人認為鈦的這種無氫吸氫現(xiàn)象是因為鈦本身在冶金、熱加工、酸洗、焊接等過程中吸氫而留存于鈦金屬內(nèi)以及鈦材、焊絲的鐵含量較高，在焊縫附近產(chǎn)生富相鐵，這些鐵或富鐵相與鈦基體形成腐蝕電池導致溶解，在腐蝕過程中，微陰極產(chǎn)生氫原子不易形成氫分子從金屬表面析出，初生態(tài)的氫原子擴散入鈦層，發(fā)生氫脆。況且腐蝕介質中含鐵量越多，使氫的擴散速率增加、鈦的吸氫現(xiàn)象越嚴重。為防止鈦材吸氫必須控制鈦中含鐵量在0.05%以下。
2 、鈦設備的縫隙腐蝕
一般情況下，鈦不會發(fā)生點蝕、晶間腐蝕及應力腐蝕，但鈦較易發(fā)生縫隙腐蝕，所謂縫隙腐蝕是金屬與金屬或金屬與非金屬在接觸處可產(chǎn)生縫隙，并在縫隙中進行腐蝕。常發(fā)生在鈦換熱器的管子與管板的連接處、鈦與非金屬墊片的接觸處，另外在溫度高于 120 ℃的飽和鹽水中也易發(fā)生縫隙腐蝕。
影響縫隙腐蝕的因素：
2.1 溫度
在正常條件下，人們認為鈦在海水中不存在腐蝕傾向，但近年來發(fā)現(xiàn)鈦與高溫氯化物溶液經(jīng)常發(fā)生嚴重的縫隙腐蝕(見表 1)，鈦在 120 ℃以下的海水和氯化鈉鹽水中，鈦不會發(fā)生腐蝕；當溫度超過 121 ℃時，鈦在寬窄的縫隙內(nèi)尤其是非金屬墊片處發(fā)生縫隙腐蝕；當溫度超過 149 ℃時，鈦在較寬的間隙中，如管與管板的間隙中也會發(fā)生縫隙腐蝕，說明了鈦的縫隙腐蝕與溫度有關，越是熱的介質，鈦的縫隙腐蝕越易發(fā)生。
當鈦金屬表面有氯化物沉積時，由于積垢的隔熱作用，導致溫度上升，垢層下面的鈦合金屬同樣會發(fā)生縫隙腐蝕。因此降低溫度是防止縫隙腐蝕行之有效的方法之一。
2.2 縫隙的大小和形狀
總的說來，狹窄的間隙發(fā)生縫隙腐蝕可能性要比寬間隙大得多，在某一縫寬時，鈦的縫隙腐蝕達到極值。例如鈦在30 mg/L NaCl+70 mg/L NaSO4+250 mg/L NaNO3 溶液中，當縫寬達到 0.5mm時，其縫隙腐蝕率為最大值。當縫隙很小時，由于腐蝕介質不能潤濕縫隙內(nèi)表面，即使是浸潤了內(nèi)表面，其流動受到限制，鈦的氧化膜仍未遭到破壞；如果縫隙較大，氧的擴散相當迅速，足以使鈦鈍化。因此當縫隙很小或較大時，都不會導致縫隙腐蝕的發(fā)生。
2.3 墊片材料
鈦-鈦縫隙腐蝕敏感性較低，而鈦與非金屬材料構成的縫隙有較大的腐蝕傾向，鈦與非金屬(主要是聚四氟乙烯)發(fā)生腐蝕的原因有兩種：一是因為聚四氟乙烯離子可破壞鈦表面鈍化膜所致；二是因為聚四氟乙烯是一種彈性較好的材料，需采用緊固的法蘭和較大的螺栓才能達到理想的密封，否則由于壓不緊而形成縫隙，產(chǎn)生縫隙腐蝕。
2.4 介質，pH，濃度
pH 是工業(yè)純鈦發(fā)生縫隙腐蝕的主要因素之一。鈦在弱酸性溶液中易發(fā)生縫隙腐蝕，一般認為鈦在酸性和中性氯化物的熱溶液中發(fā)生縫隙腐蝕的可能性比堿性溶液大。
3、 防止縫隙腐蝕的措施
(1)設計結構合理：為了防止縫隙腐蝕，首要的問題是設備結構設計應盡量避免縫隙和積垢的存在。此外，尚可采用表面處理、鍍層、縫隙中填以特種填充物以及采用耐腐蝕鈦合金等多種用途加以避免。
(2)選用合適的墊片：鈦鈀合金與工業(yè)純鈦相比，具有更強的抗縫隙腐蝕能力，鈦鈀合金可在 250 ℃以下不會發(fā)生縫隙腐蝕，它適用于中等的還原性介質以及氧化-還原交變環(huán)境，
在氧化性介質中耐腐蝕性良好，托馬曉夫等認為鈦鈀合金具有高的耐腐蝕性能，是由于二次析出的鈀作為有效附加微陰極促使鈦陽極鈍化的效果。鈦包墊片是一種類似于石墨具有各向異性的彈性石墨帶，其使用溫度可達170～330 ℃，壓力可達到10Mpa，可有效地防止縫隙腐蝕。
(3)換熱管與管板脹焊并用：為了避免管板與管連接處的縫隙腐蝕，對于易發(fā)生腐蝕的介質可采用強度脹加密封焊。脹主要是為了承受力的作用，并使管與管板緊貼，避免了縫隙腐蝕需要的縫隙這一條件，但僅靠脹接當用于某些介質中，往往由于溶液滲入縫隙而引起縫隙腐蝕。焊主要起密封作用，阻止溶液滲入。所以脹焊并用能有效地減少縫隙腐蝕的發(fā)生。
(4)加緩蝕劑或表面處理：文獻表明，在鹽鹵列管冷凝器介質 20 % Nacl 中加入 3.5 g/L 重鉻酸鉀作緩蝕劑可減輕縫隙腐蝕，或通過在鈦的縫隙中塞入摻有 NiO 或鎳粉、MoO3 粉末的膩子也可以避免縫隙腐蝕。國外采用表面處理方法來防止縫隙腐蝕，取得了較好的效果。例如將鈦在空氣中進行氧化處理，放入沸騰的 6 % NaOH 溶液中浸蝕 48 h 不發(fā)生縫隙腐蝕。
(5)防止鐵污染：鈦制設備被鐵污染后，將會降低其耐腐蝕能力，并通過氫化作用而引起脆變，被鐵污染越嚴重，鈦的吸氫現(xiàn)象就愈厲害，因此在加工、檢修和維護鈦設備時，應盡最大可能不使用鋼質工具。
4 、結語
由上可知，只要針對使用介質合理選材，合理設計結構，制造過程中保證焊接質量，嚴格控制操作條件，鈦的縫隙腐蝕是完全可以避免的。
參考文獻
[1]辛湘杰．鈦的腐蝕、防護及工程應用[M]．安徽科學技術出版社，1988．
(本文文獻格式：袁正君，郭文彬．鈦制化工設備腐蝕及其防止[J]．廣東化工，2009，36(5)：193-194)
相關鏈接
