鋼材二氧化碳腐蝕研究

二氧化碳普遍存在于我們生活之中，隨著科技的進步，二氧化碳被開發出包括作制冷劑、化工原料在內的很多用途。但二氧化碳帶來的腐蝕也是油氣工業和石化工業中經常遇到的嚴重問題之一，這也造成了經濟上的很大浪費。

二氧化碳腐蝕的主要影響因素包括兩種：第一，鋼材的熱處理狀態及其化學成分屬于鋼材材質因素。第二，環境因素主要包括：溫度(T)、二氧化碳分壓(PCO2)、溶液的pH值、鋼鐵表面膜與結垢狀況、溶液介質的化學性質、流速(v)等。

1 鋼材材質的影響

(1)鋼材熱處理狀態的影響

鋼材表面碳化物的量隨著CO2腐蝕的進行而增加，其主要成分是Fe3C。鋼材的原始金相組織決定表面碳化物的形態，多種結構碳化物的形成，有利于FeCO3的沉積。另外，鋼材的顯微組織不但決定了腐蝕產物和垢層與鋼材之間的粘附性同時還決定了鋼材表面生成腐蝕產物和垢層的厚度。

(2)化學成分(合金元素)的影響

合金元素對CO2腐蝕有很大的影響。含鉻、鉬的鋼材對CO2腐蝕有一定的抑制作用。有報道說，在鋼材中若存在Ni元素則會使CO2腐蝕速率變大。Cr是提高合金耐CO2腐蝕最常用的元素之一。IkedaA等人針對不同Cr含量鋼材進行了動態腐蝕模擬試驗，試驗結果表明，對試樣腐蝕產物膜處理后，發現低Cr鋼發生嚴重的局部腐蝕。腐蝕產物膜中Cr元素的大量存在造成了Cr鋼的耐蝕性。在潮濕的環境下，Cr鋼表面生成致密腐蝕產物膜，腐蝕產物膜厚度隨Cr含量的升高而變薄[1，3]。同時另有文獻報道，鋼材最大腐蝕速率所對應的腐蝕溫度隨鋼材中鉻含量的增加而升高。

2 環境因素的影響

(1)溫度對CO2腐蝕的影響

溫度對CO2腐蝕的影響主要基于以下幾方面的因素：

1)隨著溫度的升高，介質中CO2的溶解度變小。

2)溫度升高的同時腐蝕反應速率加快。

3)腐蝕產物膜的形成受溫度影響。

(2)CO2分壓的影響

工程中各種材料自身的抗蝕性及其腐蝕產物在金屬表面的成膜性均可通過平均腐蝕速率來判斷。一般情況下，平均腐蝕速率隨著CO2分壓的升高而升高。另外一方面材料表面膜的厚度隨CO2分壓升高而增厚，增強了對材料的保護性，便顯出降低腐蝕速率的趨勢，因而CO2分壓對腐蝕速率的影響需結合溫度具體分析。

(3)流速的影響

高流速縮短了腐蝕介質到達金屬表面的傳遞時間，且金屬表面腐蝕產物膜的形成也受到一定程度的影響，高流速促進液體對金屬表面的沖刷作用，破壞已形成的保護膜。所以，腐蝕速率隨著流速的增大而增加。

(4)pH值的影響

一般來說，pH值的增大，使H+含量減少，降低了原子氫還原反應速度，從而降低了腐蝕速度。裸鋼在pH低于3.8的含CO2除O2水中，腐蝕速率隨pH降低而增大，表明此時二氧化碳對腐蝕的影響主要體現在pH對腐蝕的影響。實驗結果表明，當pH在4～6之間時，裸鋼在CO2飽和溶液中的腐蝕速率高于在不含CO2的相同pH溶液中的情況。這表明CO2對腐蝕的影響不僅體現在pH對腐蝕的影響，也體現了對裸鋼CO2腐蝕的催化作用。

pH值的變化，也直接影響金屬材料在含CO2介質中腐蝕產物的形態、腐蝕電位等。

(5)Cl－的影響

Cl－對合金鋼的影響不同于對非鈍化鋼的影響。合金鋼孔蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕均由于Cl－的存在形成的。Cl－在溶液中的存在影響CO2在溶液中的溶解度，常溫下使二氧化碳濃度降低，從而降低碳鋼的腐蝕速率。有研究表明，鈍化膜形成很大程度上受Cl－的存在的制約。因而，Cl－對CO2對金屬的固體力學化學腐蝕有很大的影響。但對CO2流體力學化學腐蝕及CO2常規腐蝕的腐蝕速率及腐蝕形貌影響不大。

(6)O2含量的影響

O2與CO2共存于水中會引起嚴重腐蝕。當鋼鐵表面尚未生成保護膜時，碳鋼腐蝕速率隨O2含量的增加顯著升高；如果在鋼鐵表面生成了保護膜，則溶液中O2的存在對碳鋼腐蝕速率影響很小。在飽和的O2溶液中，CO2的存在也將會大大提高鋼鐵的腐蝕速率，因為此時CO2在腐蝕中起到催化劑的作用。

3 小結

解決實際問題時，不可能將所有的影響因素都考慮在內，需要結合工程的實際情況考慮，如對石油工業中的鋼材腐蝕影響因素進行研究時，還需要結合原油組分，有機酸等的影響進行綜合考慮。對目前已知的二氧化碳腐蝕影響因素中，對溫度和壓力的影響研究較透徹，也普遍認為溫度和壓力是影響二氧化碳腐蝕的最主要因素。隨著對CO2腐蝕的深入研究，對CO2腐蝕各影響因素的重要性將會有更深入和新的認識。