黃祥凱 林劍偉 黃小龍 黃云云 劉康林

(1．福州大學(xué)石油化工學(xué)院；2.福建石化集團(tuán)湄洲灣氯堿工業(yè)有限公司)

某氯堿廠BDO系統(tǒng)采用S6D20型氫氣增壓壓縮機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，材料為20#鋼的排油水管道和換熱器列管均存在腐蝕穿孔的問題，并且隨著壓縮機(jī)級數(shù)的增加，腐蝕程度愈發(fā)嚴(yán)重，致使壓縮系統(tǒng)頻繁停機(jī)，嚴(yán)重影響裝置系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。壓縮介質(zhì)經(jīng)過冷卻分離器后會(huì)有冷凝液產(chǎn)生，初步估計(jì)產(chǎn)生的冷凝液會(huì)對20#鋼管產(chǎn)生腐蝕，為了探究20#鋼在冷凝液中的腐蝕行為，筆者提取了壓縮系統(tǒng)1～3級冷凝液，進(jìn)行20#鋼電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)。

1 腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器

試件材料為20#鋼，成分見表1。試片規(guī)格為10mm×10mm×4mm。經(jīng)線切割的試樣用超聲波清洗儀清洗，烘干后將長度為15cm的銅線兩端去除絕緣皮，一端1cm，另一端2～3mm，將短邊用錘子砸扁后焊接在試件工作表面的背面。焊接完成后將試樣置于PVC圓環(huán)中用環(huán)氧樹脂封裝，預(yù)留工作面積10mm×10mm。

表1 20#鋼化學(xué)成分 wt%

腐蝕介質(zhì)為某廠氫氣壓縮機(jī)中間冷卻器中的冷凝液。腐蝕測試采用 CR-6腐蝕速率測量系統(tǒng)，輔助電極采用鉑電極，參比電極采用232型飽和甘汞電極，給定極化電位為-10～10mV。恒電位控制精度為±0.15mV，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為50個(gè)周期。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

試件機(jī)加工后先用200#～600#水砂紙逐級打磨，接著用3 000#水砂紙打磨，再用拋光機(jī)拋光，經(jīng)無水乙醇清洗烘干后備用。將鹽橋擦拭干凈，飽和甘汞電極和鉑金輔助電極先用去離子水清洗，再用無水乙醇清洗干凈。本次實(shí)驗(yàn)每一級腐蝕液均進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，極化電阻、腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率取3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值，每一次實(shí)驗(yàn)完成后用無水乙醇清洗試件表面，烘干后在光學(xué)顯微鏡下觀察，查看試樣表面實(shí)驗(yàn)后的變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1腐蝕形貌觀察

試樣在3級腐蝕液中的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)完成后，取出試樣用無水乙醇清洗處理干凈，試樣的宏觀腐蝕形貌如圖1所示?？梢钥闯觯g反應(yīng)完成后試樣表面覆蓋了一層氧化膜，并且有腐蝕坑產(chǎn)生。

圖1 試樣宏觀腐蝕形貌

腐蝕坑的產(chǎn)生主要是由于腐蝕微電池的形成所致[1～3]。20#鋼屬于優(yōu)質(zhì)碳素鋼，一般都含有硫化物及碳化物等夾雜物，而夾雜物的電位要比周圍碳鋼基體的電位更高些，且析氫電位在夾雜物上更低，因此在鋼中形成了腐蝕微電池。反應(yīng)發(fā)生后，20#鋼基體作為腐蝕微電池的微陽極優(yōu)先溶解，隨后夾雜物脫落下來形成腐蝕坑。在光學(xué)顯微鏡下觀察到試樣反應(yīng)前、后的微觀腐蝕形貌如圖2～5所示。

圖2 試樣腐蝕前微觀形貌

圖3 1級冷凝水腐蝕后微觀形貌

圖4 2級冷凝水腐蝕后微觀形貌

圖5 3級冷凝水腐蝕后微觀形貌

從微觀腐蝕形貌可以看出，隨著壓縮級數(shù)的增加，壓縮介質(zhì)冷卻后產(chǎn)生的冷凝水對20#鋼試樣的腐蝕程度逐漸加深：1級冷凝水對試樣的腐蝕主要表現(xiàn)為產(chǎn)生少量腐蝕坑；2級冷凝水使試樣腐蝕坑加深、加多；3級冷凝水使腐蝕的程度更深。為了探究壓縮系統(tǒng)冷凝液的腐蝕機(jī)理，通過玻璃電極法和硝酸銀滴定法測得各級腐蝕液均呈酸性，并且隨著級數(shù)增加Cl-濃度逐漸加大。已有的研究成果表明，酸性腐蝕液中存在Cl-會(huì)促進(jìn)碳鋼反應(yīng)面蝕孔腐蝕，并且腐蝕速率隨著Cl-濃度增大而增大[4～7]。產(chǎn)生上述結(jié)果主要是因?yàn)樵谖g孔產(chǎn)生后，蝕孔內(nèi)金屬發(fā)生溶解，生成Fe2+，隨著Fe2+不斷增加，為了保持電中性，溶液中的Cl-向孔內(nèi)移動(dòng)，孔內(nèi)Cl-濃度升高，在酸性溶液中Cl-腐蝕濃度臨界值下降，Cl-在酸性條件下會(huì)被有效激活，腐蝕孔處于活性溶解狀態(tài)，促進(jìn)了腐蝕破壞的發(fā)展，隨著Cl-增多，腐蝕程度逐漸加深。

2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

2.2.1基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測試的參數(shù)主要有極化電阻、腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表2～4。

表2 1級冷凝水腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 2級冷凝水腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 3級冷凝水腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

每級極化電阻、腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率的數(shù)據(jù)取3次反應(yīng)平均值，進(jìn)行對比可以看出，極化電阻隨著級數(shù)增加逐漸變小，腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率隨著級數(shù)增加逐漸變大，這與光學(xué)顯微鏡觀察后得出的結(jié)果吻合。

2.2.2極化曲線

通過CR-6腐蝕速率測量系統(tǒng)，可以得到極化電流-時(shí)間變化趨勢圖，極化電流曲線如圖6～8所示。

圖6 1級極化電流曲線

圖7 2級極化電流曲線

圖8 3級極化電流曲線

可以看出，1級陽極和陰極極化電流在反應(yīng)過程中較穩(wěn)定，沒有太大變化；2、3級陽極極化電流在反應(yīng)過程中均產(chǎn)生波動(dòng)，陰極極化電流均比較穩(wěn)定，反應(yīng)周期末尾，2、3級陽極極化電流也趨于穩(wěn)定。數(shù)據(jù)變化曲線趨于平緩，說明腐蝕反應(yīng)逐漸減弱，原因是隨著腐蝕產(chǎn)物增多，增厚了金屬基體和腐蝕液之間的阻礙層，影響了氧及腐蝕液中陰離子傳遞，使反應(yīng)減緩。而1～3級腐蝕液陽極極化電流反應(yīng)過程中的波動(dòng)逐漸加大，主要是因?yàn)殡S著壓縮級數(shù)增加，溶液Cl-濃度加大，在多種因素共同作用下腐蝕速率逐漸加大的結(jié)果。

3 腐蝕機(jī)理探討

20#鋼在腐蝕液中表現(xiàn)為活性溶解腐蝕的特征，陽極反應(yīng)為：

Fe→Fe2++2e-，F(xiàn)e2+→Fe3++e-

在腐蝕液中，陰極過程氧被還原，在陰極區(qū)域形成OH-離子，陰極過程是控制腐蝕的主要過程，主要受氧擴(kuò)散控制，電極反應(yīng)為：

O2+2H2O+4e-→4OH-

隨著反應(yīng)進(jìn)行，可以在試樣表面觀察到氫氣泡產(chǎn)生，此時(shí)陰極極化電流迅速增大，電極反應(yīng)為：

2H++2e-→H2↑

隨著壓縮級數(shù)增加，Cl-濃度升高，陽極極化電流也隨之升高，這表明Cl-濃度對腐蝕速率產(chǎn)生了影響，濃度越大，反應(yīng)速率越大[8，9]。

4 結(jié)束語

壓縮系統(tǒng)氫氣冷卻后產(chǎn)生的酸性含Cl-冷凝液會(huì)對20#鋼產(chǎn)生腐蝕，反應(yīng)后試件表面產(chǎn)生氧化膜和腐蝕坑。隨著1～3級Cl-濃度的遞增，腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率隨著級數(shù)增加逐漸增大，極化電阻隨著級數(shù)增加逐漸變小，說明鋼的腐蝕程度也從1～3級逐漸加深。為減少腐蝕及其危害，一方面應(yīng)及時(shí)將壓縮機(jī)中間冷卻器中的積水清除掉；另一方面應(yīng)盡可能脫除氫氣中的水分及Cl-，以從源頭消除腐蝕隱患。

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