水电解制氢设备的腐蚀——碱脆（三）

水电解制氢设备的腐蚀——碱脆（三）

水电解制氢系统涉及的材料介质主要有氢气、氧气、氢氧化钾溶液（氢氧化钠溶液）等，腐蚀的原因主要有化学腐蚀、电化学腐蚀、氢脆、碱脆等。上篇文章主要讲了水电解制氢设备中的“氢脆”及材料选择，本文主要介绍“碱脆”产生的原因及材料选择的相关内容。

水电解制氢设备的腐蚀-碱脆（三）

碱性水电解制氢的电解液一般采用30%氢氧化钾溶液。这主要是因为氢氧化钾比氢氧化钠具有更好的导电性，虽然其价格较高，一次性投资较大，但从节能和综合效益的角度考虑，使用氢氧化钾比使用氢氧化钠更经济，而且设备腐蚀问题也不明显。因此，现在普遍采用氢氧化钾作为电解液。

由于氢氧化钾与氢氧化钠同属腐蚀性碱，其对设备造成腐蚀的原因和性质几乎相同，人们对氢氧化钠进行了深入的研究。下面主要以氢氧化钠来说明碱性腐蚀问题。

片状烧碱-氢氧化钾

1.碱脆概念

“碱脆”又称应力腐蚀开裂，简称SCC，是指金属在特定的腐蚀介质和固定的拉应力同时作用下发生的脆性开裂。材料一旦发生应力腐蚀开裂，可在数分钟内无明显征兆而自行断裂，其扩展速度比其他类型的局部腐蚀快几个数量级，因此SCC被称为灾难性腐蚀。碱脆主要发生在与碱性碱接触的碳钢、低合金钢和奥氏体不锈钢设备中。

2. 碱脆的原因

碱脆的发生需要同时具备三个条件，第一是NaOH溶液的浓度比较高，实验证明，浓度大于10%的碱溶液就足以引起碳钢的碱脆。第二是温度比较高，碱脆发生的温度范围比较宽，但最容易引起碱脆的温度在溶液的沸点附近。第三是拉应力，可以是外界载荷引起的应力，也可以是残余应力。

一个有意义的现象是某些金属只在特定的介质中才会产生应力腐蚀开裂。常用的耐碱金属几乎都具有产生应力腐蚀开裂的特性。常用的碳钢、18-8不锈钢、铬镍钼钢、镍、镍铬铁（）合金等材料在一定条件下的烧碱中都会产生应力腐蚀开裂。

3.碳钢的碱脆性

碳钢在5%（NaOH）以上的几乎所有浓度范围内都可能发生碱脆，最危险的浓度在30%（NaOH）左右。碱脆发生的最低温度为50℃，最容易发生在沸点附近的高温区。

4.不锈钢的碱脆性

奥氏体铬镍不锈钢（18-8型）在浓度高于0.1%（NaOH）时，即可发生碱脆，尤其在40%（NaOH）左右时，该浓度最为危险；最容易发生碱脆的最低温度为115℃左右。当在奥氏体铬镍不锈钢中加入2%钼时，可使这种不锈钢的碱脆极限变窄，并移至高浓度区。镍和镍基合金具有较高的抗应力腐蚀开裂性能，其碱脆范围变窄，位于高温浓碱区。

5.碱介质材质选择

电解液的主要成分是氢氧化钾，电解槽阴极出来的碱液约有30%经汽水分离器与大部分气体分离后，温度在80~100℃之间，属于应力腐蚀环境，碱液返回电解槽循环。采用超低碳不锈钢的原理就在于应力腐蚀的危害，由于镍的腐蚀产物比铁的致密，所以防护性能好，钝化性能强。纯镍只有在高浓度（>75%）、高温（>150℃）条件下，在NaOH溶液中的腐蚀速度才大于0.13mm/a。一般电解槽板采用镀镍的碳钢，氧碱气液分离槽、氢碱气液分离槽也采用镀镍的碳钢。

管道材料由于是管状，不宜镀镍或采用碳钢。不锈钢在80~100℃的30%碱溶液中会产生一定的应力腐蚀，必须考虑腐蚀后Fe3+的问题。水电解制氢碱溶液系统一般采用304、316L不锈钢。在离子膜烧碱行业，旭化成、北化机械采用310S[w(Ni)≥20%]不锈钢，该钢是一种Ni、Cr质量分数较高、韧性好、屈服强度低、抗应力腐蚀性能好的低碳不锈钢。由于介质环境与碱性水电解制氢碱溶液比较熟悉，所以部分310S水电解制氢厂家也采用310S不锈钢。

6. 电极选择

生产中通常采用镀有一层无光泽镍的软铁作为阳极。这是因为在有氧存在下，铁在碱性溶液中极化时不够稳定，容易被铁素体形成而腐蚀；又因为氧对镍的过电压比较小，而铁和镍的电极电位又相当接近，一旦镀层被破坏，它们之间的电化学腐蚀就比较慢。也有直接用镍片、镍丝网、镍泡沫等作为阳极的。从标准电极电位可以看出，电解时用作阳极的金属镍镀层比溶液中的氢氧离子更容易失去电子而进入溶液中，但实际上镍并不会溶解，因为镍在碱性溶液中会被钝化。

结尾

下一篇文章主要介绍水电解制氢系统中因直流电（杂散电流）引起的寄生电解，导致杂散气体的产生和腐蚀，也可以称为杂散电流腐蚀。