張安妮，楊曉冬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

不同溫度下CO2對(duì)輸油換熱設(shè)備腐蝕行為的影響

張安妮，楊曉冬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

本文針對(duì)延長(zhǎng)石油管道運(yùn)輸公司換熱器進(jìn)行腐蝕部位取樣，對(duì)目前常用的3種換熱設(shè)備材料20#鋼、304不銹鋼、316不銹鋼進(jìn)行研究，采用極化曲線(xiàn)測(cè)試法研究不同pH下溫度對(duì)腐蝕速率的影響，對(duì)3種材料進(jìn)行腐蝕性能對(duì)比，確定此3種材料的腐蝕性能。

換熱器；腐蝕；極化曲線(xiàn)

本文主要根據(jù)延長(zhǎng)石油管道運(yùn)輸公司使用的管式換熱器來(lái)研究。換熱器管束的腐蝕已威脅到延長(zhǎng)石油管道運(yùn)輸公司的安全生產(chǎn)和正常運(yùn)輸，因此實(shí)施有效的防腐措施已刻不容緩[1-3]。針對(duì)這一狀況，為了減少各方面經(jīng)濟(jì)損失，需要對(duì)換熱管原油中的二氧化碳等的腐蝕進(jìn)行具體的研究分析，總結(jié)其腐蝕規(guī)律，為后續(xù)的防腐工作提供有利的參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料

HH-2電熱恒溫水浴鍋、DHG-9070干燥箱、FA1004B電子分析天平、CS310電化學(xué)工作站。

二氧化碳、氯化鈉、氫氧化鈉、稀鹽酸、硫酸鈉、硫酸鉀、無(wú)水乙醇、環(huán)氧樹(shù)脂等。

20#鋼，304不銹鋼，316不銹鋼。

2 試驗(yàn)步驟

將3種試樣分別加工成Ф11.3cm×3cm的小圓柱形狀，用釬焊（如錫焊）或點(diǎn)焊的方法將導(dǎo)線(xiàn)焊在試樣上，使最終暴露的試驗(yàn)面積為1cm2，非試驗(yàn)面部分和導(dǎo)線(xiàn)用環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯樹(shù)脂或石蠟松香混熔物等絕緣物進(jìn)行涂覆密封或可鑲嵌。使用前將供試樣的工作面表面依次用400#、600#、800#、1000#和1200#砂紙逐級(jí)打磨，用蒸餾水沖洗后丙酮除油除水。

試驗(yàn)介質(zhì)為模擬輸油管道換熱設(shè)備中含CO2的腐蝕溶液。參照延長(zhǎng)石油管道運(yùn)輸公司輸送的原油配制試驗(yàn)用模擬溶液，主要考慮原油中含量比較高的Cl-和。模擬溶液用分析純NaCl和Na2SO4配制，水為去離子水。飽和二氧化碳溶液配制時(shí)先通二氧化碳?xì)怏w30min，再將電極接入電路系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要取一定量準(zhǔn)備好的溶液放入測(cè)試瓶中，將探頭放入測(cè)試溶液中，密封好，穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)記錄由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。

3 不同pH下溫度對(duì)腐蝕的影響

通過(guò)CS310的三相電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，得到了不同pH值和不同溫度下的3種材料的極化曲線(xiàn)圖。圖1為pH=5時(shí)，不同材質(zhì)在不同溫度下的極化曲線(xiàn)圖。

圖1 pH=5時(shí)20#鋼、304不銹鋼、316不銹鋼在不同溫度下的極化曲線(xiàn)圖

pH為5時(shí)，各種材質(zhì)在不同溫度下的極化曲線(xiàn)通過(guò)Tafel擬合，得到的結(jié)果如表1所示。

從表1看出，當(dāng)溶液pH=5時(shí)，隨著溫度升高，20#不銹鋼、304不銹鋼的腐蝕速率增大，20#不銹鋼、304不銹鋼的耐腐蝕能力下降，當(dāng)溫度升高到70℃時(shí)，其穩(wěn)態(tài)腐蝕電位相比40℃時(shí)大幅度降低，說(shuō)明此時(shí)鈍化膜破壞嚴(yán)重，溫度升高不利于鈍化膜的形成和穩(wěn)定，使得不銹鋼耐點(diǎn)蝕能力下降。316不銹鋼的腐蝕速率在60℃時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)鈍化膜遭到嚴(yán)重破壞，在70℃時(shí)有所降低，說(shuō)明破壞的鈍化膜在逐漸修復(fù)過(guò)程中。

圖2為pH=7時(shí)，不同材質(zhì)在不同溫度下的極化曲線(xiàn)圖。

表1 pH為5時(shí)各材質(zhì)的擬合結(jié)果表

圖2 pH=7時(shí)20#鋼、304不銹鋼、316不銹鋼在不同溫度下的極化曲線(xiàn)圖

pH=7時(shí)各材料在不同溫度下的極化曲線(xiàn)通過(guò)Tafel擬合的結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2看出，隨著溫度升高，20#鋼、316不銹鋼的腐蝕速率都在不斷增大。由于溫度不斷升高，生成鈍化膜的陽(yáng)極反應(yīng)、鈍化膜的化學(xué)溶解速率增加，導(dǎo)致陽(yáng)極電流起伏漲落的絕對(duì)數(shù)值增加，F(xiàn)e2+的水解平衡反應(yīng)速率增加，溫度升高促進(jìn)其水解，有利于自催化作用的加劇，更容易發(fā)生腐蝕。304不銹鋼在40～60℃時(shí)，隨著溫度升高，腐蝕速率在緩慢增加，超過(guò)70℃后，腐蝕速率急劇增大，說(shuō)明此時(shí)鈍化膜快速溶解。在相同條件下，316比304的腐蝕速率慢得多，最主要的原因是316添加了抗點(diǎn)蝕元素Mo，從而大幅度提高了其抗腐蝕性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也再次證明了Mo元素的添加有利于提高不銹鋼材料的點(diǎn)蝕溫度抗力。

表2 pH為7時(shí)各材質(zhì)的擬合結(jié)果表

圖3為pH=9時(shí)，不同材質(zhì)在不同溫度下的極化曲線(xiàn)圖。

圖3 pH=9時(shí)20#鋼、304不銹鋼、316不銹鋼在不同溫度下的極化曲線(xiàn)圖

pH=9時(shí)的各材料在不同溫度下的極化曲線(xiàn)通過(guò)Tafel擬合的結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3看出，隨著溫度升高，20#鋼的腐蝕速率在不斷增大，由于溫度升高，鈍化膜表面凹凸不平的現(xiàn)象減弱了溫度對(duì)H+擴(kuò)散的促進(jìn)作用，最終溫度升高還是表現(xiàn)在對(duì)自催化效應(yīng)的增強(qiáng)，促進(jìn)了腐蝕的發(fā)展。304不銹鋼在50℃時(shí)腐蝕速率達(dá)到最大，此時(shí)304不銹鋼產(chǎn)生的鈍化膜發(fā)生水解，金屬表面產(chǎn)物膜破損，溶液中Cl-、SO42-及 CO2溶于水形成的CO32+活性增加，與鈍化膜中的金屬陽(yáng)離子結(jié)合成可溶性化合物，形成蝕坑，腐蝕最快，其余隨著溫度升高腐蝕速率同樣在不斷增大。316不銹鋼在溫度為40～60℃時(shí)，隨著溫度升高，腐蝕速率增大，但在試驗(yàn)中溫度達(dá)到70℃時(shí)腐蝕速率略有下降，主要原因是隨著溫度的升高，Ni、Cr的氧化物和氫氧化物等腐蝕產(chǎn)物的沉積速度也就越快，越有利于生成結(jié)構(gòu)致密的保護(hù)性產(chǎn)物膜，此時(shí)的產(chǎn)物膜對(duì)基體產(chǎn)生保護(hù)作用，保護(hù)材料表面不受強(qiáng)烈腐蝕。

表3 pH為9時(shí)各材質(zhì)的擬合結(jié)果表

4 結(jié)論

1）溫度為40～60℃時(shí)，當(dāng)pH較小時(shí)，20#鋼會(huì)較快進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，腐蝕電流增大的斜率明顯較大，隨pH增大，腐蝕電流增大的斜率會(huì)稍有減小。在溫度為70℃時(shí)，pH較小時(shí)，20#鋼同樣會(huì)較快進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，但當(dāng)pH較大時(shí)，20#鋼的腐蝕電流會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間維持在一個(gè)較小的值，且點(diǎn)蝕電流增大的速率較緩慢。

2）溫度為40～60℃時(shí)，當(dāng)pH較小時(shí)，316不銹鋼會(huì)較快進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，腐蝕電流增大的斜率明顯較大，隨pH增大，腐蝕電流增大的斜率會(huì)稍有減??；在溫度為70℃且pH較大并不斷增加時(shí)，316不銹鋼的腐蝕電流一直維持在一個(gè)較小的值，且點(diǎn)蝕電流增大的速率特別緩慢。

3）溫度為40℃、50℃且pH較小時(shí)，304不銹鋼會(huì)較快進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，腐蝕電流增大的斜率明顯較大，隨pH增大，腐蝕電流變化緩慢，一直處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)溫度為60～70℃時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)蝕電流增大的速率快速，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間304不銹鋼同樣會(huì)較快進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期，當(dāng)pH較大并不斷增加的過(guò)程中，304不銹鋼的腐蝕電流一直維持在一個(gè)較小的值，腐蝕電流增大的速率比較緩慢。

[1] 安景武，李小紅.換熱器防腐蝕方法介紹[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2001，19(3)：62-64.

[2] 王學(xué)生.化工設(shè)備設(shè)計(jì)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2011.

[3] 鄭津洋.過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

Corrosion Characteristics of Oil Pipeline Heat Transfer Equipment

ZHANG Anni, YANG Xiaodong
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

The oil pipeline transport company heat exchanger corrosion site was sampling, according to three kinds of commonly used heat exchanger material 20# steel, 316 stainless steel, 304 stainless steel, the effect of temperature on the corrosion rate under different pH was studied by polarization curve test method. The corrosion resistance of three materials was compared, the corrosion performance was determined.

heat exchanger; corrosion; polarization curves

TG 172.6

A

1671-9905(2017)10-0061-04

2017-06-15