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        不同鎂合金犧牲陽極材料在循環(huán)冷卻水中的性能比較

        2024-03-08 10:45:20楊陽練美娟吳波吳建華
        化工管理 2024年4期

        楊陽,練美娟,吳波,吳建華

        (1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建 廈門 361021;2.南京金煉科技有限公司,江蘇 南京 210023)

        0 引言

        在石化生產(chǎn)過程中,煉化企業(yè)利用循環(huán)水水冷器系統(tǒng)進(jìn)行介質(zhì)冷卻。有調(diào)查顯示,水冷器是所有靜設(shè)備中發(fā)生腐蝕問題最多、腐蝕最為嚴(yán)重的設(shè)備之一[1-2]。

        一旦水冷器因腐蝕造成泄漏,會(huì)影響水循環(huán)系統(tǒng),嚴(yán)重的會(huì)污染水質(zhì),降低設(shè)備生產(chǎn)效率,造成非計(jì)劃性停工,進(jìn)而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失[3]。目前,水冷器防腐措施多從以下幾個(gè)角度出發(fā)[4-6]:(1)改善循環(huán)水水質(zhì);(2)控制循環(huán)冷卻水流速和溫度;(3)材質(zhì)升級(jí);(4)水冷器表面處理;(5)犧牲陽極陰極保護(hù);(6)設(shè)計(jì)與制造優(yōu)化。由于單一防腐措施的局限性,煉化企業(yè)采用多種措施聯(lián)合保護(hù)同時(shí)對(duì)水冷器進(jìn)行全程管理。

        作為水冷器防腐措施之一的犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù),在其設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)涉及犧牲陽極材料及規(guī)格的選擇。介質(zhì)環(huán)境電阻率、環(huán)境溫度等因素都會(huì)影響水冷器犧牲陽極材料的選擇[7-9],比如有的煉化企業(yè)使用鋅合金犧牲陽極材料,而有的使用鎂合金犧牲陽極材料[10-13]。

        本文通過對(duì)四種鎂合金犧牲陽極材料在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)兩種循環(huán)水介質(zhì)中電化學(xué)性能的評(píng)估,分別對(duì)工作電位、電流效率以及溶解形貌和腐蝕產(chǎn)物成分等方面進(jìn)行分析比較,以期對(duì)實(shí)際工況狀態(tài)下的犧牲陽極材料選擇提供參考和數(shù)據(jù)支撐。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 材料

        試驗(yàn)介質(zhì)分別為從實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中取得的三循環(huán)水(編號(hào)1)和五循環(huán)水(編號(hào)2),介質(zhì)溫度為38 ℃±2 ℃。

        試驗(yàn)材料為市售的四種鎂合金犧牲陽極:AZ63B(編號(hào)A)、AZ31B(編號(hào)B)、高純鎂(編號(hào)C)、高電位鎂陽極M1C(編號(hào)D)。

        如表1所示,A-1表示在三循環(huán)水中的AZ63B,A-2表示在五循環(huán)水中的AZ63B;B-1表示在三循環(huán)水中的AZ31B,B-2表示在五循環(huán)水中的AZ31B;C-1表示在三循環(huán)水中的高純鎂,C-2表示在五循環(huán)水中的高純鎂;D-1表示在三循環(huán)水中的高電位鎂陽極M1C,D-2表示在五循環(huán)水中的高電位鎂陽極M1C。

        表1 樣品系列編號(hào)

        1.2 方法

        電化學(xué)性能試驗(yàn):將鎂合金犧牲陽極制成φ16 mm×48 mm圓柱狀試樣,用絕緣材料進(jìn)行封裝,陽極試樣工作面積為14 cm2;輔助陰極采用不銹鋼圓筒,總工作面積大約840 cm2;參比電極為飽和甘汞電極。

        采用GB/T 17848—1999 《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗(yàn)方法》[14]中的四天加速試驗(yàn)法,每個(gè)條件下測(cè)試至少三個(gè)平行樣。試驗(yàn)中0~24 h內(nèi),陽極電流密度保持1.5 mA/cm2;24~48 h內(nèi),陽極電流密度保持0.4 mA/cm2;48~72 h內(nèi),陽極電流密度保持4.0 mA/cm2;72~96 h內(nèi),陽極電流密度保持1.5 mA/cm2。每天對(duì)陽極試樣的工作電位進(jìn)行一次測(cè)量并記錄,實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束后,按要求稱重陽極試樣和銅電量計(jì)的陰極銅片。

        按標(biāo)準(zhǔn)中給出的方法計(jì)算實(shí)際電容量和電流效率。犧牲陽極試樣的實(shí)際電容量計(jì)算如式(1)所示:

        式中:Q為犧牲陽極試樣實(shí)際電容量(Ah/kg);k為系數(shù),取843.3 Ah/kg;M1為試驗(yàn)前銅電量計(jì)陰極銅片重量(g);M2為試驗(yàn)后銅電量計(jì)陰極銅片重量(g);m1為試驗(yàn)前陽極試樣重量(g);m2為試驗(yàn)后陽極試樣重量(g)。

        犧牲陽極試樣的電流效率計(jì)算如式(2)所示:

        式中:η為犧牲陽極電流效率(%);Q為犧牲陽極試樣實(shí)際電容量(Ah/kg);Q0為犧牲陽極試樣理論電容量(Ah/kg)。

        表面形貌表征以及微區(qū)成分表征:使用ZEISS Sigma 500場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和OXFORD能譜儀對(duì)陽極試樣表面形貌及微區(qū)成分進(jìn)行表征。

        陽極極化曲線測(cè)試:使用Metrohm autolab電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)量;采用三電極體系,鎂陽極為工作電極(工作面積1 cm2)、鉑電極為輔助電極、飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。陽極極化曲線測(cè)試介質(zhì)為實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中取得的三循環(huán)水和五循環(huán)水,介質(zhì)溫度為38 ℃±2 ℃。在工作電極的自腐蝕電位穩(wěn)定后,進(jìn)行極化曲線測(cè)量,從自腐蝕電位向陽極掃描,掃描速度為20 mV/5 min。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 鎂合金犧牲陽極電化學(xué)性能

        犧牲陽極材料電化學(xué)性能包含電極電位和實(shí)際電容量(也可用電流效率表示)。表2為四種鎂合金犧牲陽極材料在三循環(huán)水和五循環(huán)水中的開路電位和工作電位,表3為四種鎂陽極在三循環(huán)水和五循環(huán)水中四天法加速測(cè)試試驗(yàn)后得到的實(shí)際電容量和電流效率。

        表2 陽極試樣工作電位表 單位:V(vs.SCE)

        表3 實(shí)際電容量及電流效率表

        對(duì)比四種鎂陽極,從開路電位看,四個(gè)樣品中C(高純鎂)最負(fù),但差別并不大;從工作電位看,樣品C(高純鎂)和D(高電位鎂陽極M1C)比樣品A(AZ63B)和B(AZ31B)稍負(fù)一些。從溶解形貌看,四個(gè)樣品相差不大,在電化學(xué)性能試驗(yàn)中溶解形貌都比較均勻;從電流效率看,排序?yàn)镃、A、D、B,但是C、A、D差別不大,樣品B的電流效率最小。同時(shí),可發(fā)現(xiàn)同一種鎂陽極在三循環(huán)水和五循環(huán)水的工作介質(zhì)中的電化學(xué)性能表現(xiàn)并無明顯區(qū)別。

        2.2 表面形貌及成分表征

        從圖1中可見,電化學(xué)性能試驗(yàn)后的鎂陽極表面布滿了腐蝕溶解產(chǎn)生的凹坑。對(duì)表面形貌進(jìn)行比較得到,不同的陽極材料在凹坑大小、分布疏密等方面有各自特點(diǎn),但是相同陽極材料在不同循環(huán)水條件下的表面形貌基本區(qū)別不大。四種犧牲陽極材料在兩種循環(huán)水條件下形成的腐蝕凹坑形貌中,均未觀察到向內(nèi)部透入的裂紋,即未觀察到鎂陽極的晶間腐蝕現(xiàn)象。這一點(diǎn)應(yīng)該與一般情況下鎂合金的晶間腐蝕傾向較小有關(guān)系。

        圖1 電化學(xué)性能試驗(yàn)后鎂合金犧牲陽極表面形貌SEM表征(放大倍數(shù)200)

        鎂合金犧牲陽極樣品微區(qū)成分表征結(jié)果得到,腐蝕產(chǎn)物粉末元素成分為Mg、Si、O、Ca(H元素在能譜中顯示不出)。根據(jù)鎂與水反應(yīng)方程式(1),可以判斷粉末的主要成分為Mg(OH)2;而Si和Ca元素的出現(xiàn)與鎂合金犧牲陽極本身存在的雜質(zhì)元素有關(guān)。

        鎂在所有pH值下都很容易與水反應(yīng),以Mg+和Mg2+的形式溶解。按照Mg-H2O電位-pH平衡圖,在pH值為 8.5~11.5時(shí),穩(wěn)定的固態(tài)產(chǎn)物只有單一的Mg(OH)2。根據(jù)提供的水質(zhì)采樣分析表,pH值基本保持在8.6~9.0之間,因此在實(shí)際工況中,需要注意在鎂陽極表面極可能形成Mg(OH)2沉積,進(jìn)而導(dǎo)致鎂陽極無法繼續(xù)溶解,影響犧牲陽極的作用。

        2.3 鎂合金犧牲陽極極化行為

        從圖2中可以看出,四種鎂犧牲陽極材料在三循環(huán)水和五循環(huán)水中的陽極極化曲線呈現(xiàn)出活化極化行為(A代表AZ63B;B代表AZ31B;C代表高純鎂;D代表高電位鎂陽極M1C),表現(xiàn)出活性溶解過程。

        3 結(jié)語

        (1)在兩種冷卻循環(huán)水中,高純鎂和M1C的工作電位比AZ63B和AZ31B的工作電位稍負(fù)一些;電流效率排序?yàn)楦呒冩V、AZ63B、M1C、AZ31B,其中前三種材料的電流效率差別不大,而AZ31B的電流效率最小;四種鎂陽極的溶解形貌都比較均勻。

        (2)在兩種冷卻循環(huán)水(三循環(huán)水和五循環(huán)水)中,同一種鎂陽極材料的電化學(xué)性能差別不大。

        (3)高純鎂、M1C、AZ63B和AZ31B在兩種冷卻循環(huán)水介質(zhì)中,都呈現(xiàn)出活化極化行為。

        (4)鎂陽極材料在三循環(huán)水和五循環(huán)水工作介質(zhì)中的腐蝕產(chǎn)物主要是Mg(OH)2。考慮到本文所使用的循環(huán)水pH值基本保持在8.6~9.0之間,需要留意在鎂陽極表面極可能形成Mg(OH)2沉積,影響犧牲陽極的作用。

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