二氧化硫吸收系統(tǒng)材質(zhì)研究與分析

楊 雪，屈撐囤，張寧生，張國輝，楊 軍

（1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安 710065；2.中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，河南濮陽 457001）

普光氣田位于四川省達(dá)州市宣漢縣，是我國已投產(chǎn)的規(guī)模最大、豐產(chǎn)最高的特大型海相整裝氣田。普光氣田在非正常生產(chǎn)時燃燒的硫化氫會生成大量的二氧化硫，不僅對氣田的正常生產(chǎn)有影響，而且對周圍的生態(tài)環(huán)境也有很大的危害[1-2]。因此開展非正常生產(chǎn)時二氧化硫捕集與應(yīng)急系統(tǒng)，對于確保氣田正常、安全生產(chǎn)以及保護(hù)環(huán)境都具有重要意義。

本文利用靜態(tài)失重法和電化學(xué)測試法，并結(jié)合掃描電鏡，研究A3鋼、304不銹鋼、鋁、H62銅等四種材質(zhì)在 10%的（NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及 10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液中的腐蝕行為，并最終確定一種耐腐蝕性能最強(qiáng)的材質(zhì)。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

主要試劑：（NH4）2SO3·H2O,70%NH4HSO3，分析純；A3鋼試樣的尺寸為 76×13×1.5 mm，304不銹鋼、鋁、H62 銅的尺寸均為 50×25×2 mm。

主要儀器：PARM2273電化學(xué)工作站，美國EG&G公司；JSM-6390A掃描電子顯微鏡，日本電子公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 腐蝕速率測定 腐蝕速率測定依據(jù)SYT 0026-1999水腐蝕性測試方法進(jìn)行[2]。實驗介質(zhì)為10%的（NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及 10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液。按照公式（1）計算試片的平均腐蝕速率。

式中：v為平均腐蝕速率，mm/a；ρ為試片的密度，g/cm3；S 為試片表面積，cm2；t為腐蝕時間，h；W0為試片腐蝕前的質(zhì)量，g；W1為試片腐蝕后的質(zhì)量，g。

1.2.2 電化學(xué)測試 電化學(xué)采用美國生產(chǎn)的PAR2273工作站進(jìn)行。電解池選用EG&G公司的玻璃電解池，溶液體積為1.0 L，實驗溫度為30℃。采用三電極體系，以飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，石墨棒為輔助電極，工作電極的測試面積為0.785 cm2，極化曲線掃描區(qū)間為-250～250 mV（相對開路電位），掃描速率為0.166 mv/s。由極化曲線可獲得自腐蝕電位、腐蝕電流等電化學(xué)參數(shù)。電化學(xué)阻抗譜測量頻率范圍為100 kHz～100 MHz，阻抗測量信號為幅值10 mV的正弦波，共測定40個頻率點。采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡[3]對腐蝕試片進(jìn)行形貌觀測。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 靜態(tài)失重法

在30℃的條件下，四種材質(zhì)在三種模擬介質(zhì)中的靜態(tài)腐蝕結(jié)果（見表1）。

表1 四種材質(zhì)在三種介質(zhì)中的平均腐蝕速率

根據(jù)《SY 0007-1999鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕控制工程設(shè)計規(guī)范》中的評價條款：304不銹鋼在三種模擬介質(zhì)中的腐蝕等級都為低；A3鋼的腐蝕等級都為嚴(yán)重；鋁在10%的NH4HSO3溶液中的腐蝕等級為嚴(yán)重，在10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3混合溶液中的腐蝕等級為高，在10%的（NH4）2SO3的溶液中的腐蝕等級為低；H62銅在10%的NH4HSO3的溶液中的腐蝕等級為高，在 10%的 （NH4）2SO3以及 10%的 （NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液中的腐蝕等級為中。由靜態(tài)腐蝕失重法可知，在三種模擬溶液中304不銹鋼的耐腐性能最強(qiáng)。

2.2 電化學(xué)阻抗譜

圖1、2、3分別為 A3鋼、304 不銹鋼、鋁、H62 銅四種材質(zhì)在10%的（NH4）2SO3、10%的NH4HSO3以及10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3混合溶液中的電化學(xué)阻抗譜。圖中阻抗譜弧的半徑與腐蝕速率有密切的關(guān)系，半徑越大，耐腐蝕性能越強(qiáng)[4]。

圖1中304不銹鋼電極的高頻弧半徑大于其他三種材質(zhì)，說明304不銹鋼的電荷反映活性較低，進(jìn)一步說明304不銹鋼的電極具有更低的放電活性。通過對比阻抗譜弧的半徑大小可知，腐蝕速率的大小為A3鋼＞H62銅＞鋁＞304不銹鋼。圖2中A3鋼的電化學(xué)阻抗譜由一個高頻容抗弧和一條Warburg阻抗直線組成，其余三種材質(zhì)的電化學(xué)阻抗譜都是由一個高頻容抗弧組成，其腐蝕速率的大小為A3鋼＞鋁＞H62銅＞304不銹鋼。圖3中四種不同材質(zhì)的電化學(xué)阻抗譜均表現(xiàn)為一個近似半圓的容抗弧。此容抗弧是由于電荷傳遞過程引起，其直徑可以認(rèn)為是電極反應(yīng)的電荷傳遞電阻[5-8]。由于電荷傳遞電阻的大小表示電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢，所以電化學(xué)阻抗譜結(jié)果表明其腐蝕速率的大小為A3鋼＞鋁＞H62銅＞304不銹鋼。由電化學(xué)阻抗譜可知，在三種模擬溶液中304不銹鋼的耐腐性能最好。

2.3 極化曲線

圖4、5、6分別為 A3 鋼、304不銹鋼、鋁、H62銅四種材質(zhì)在 10%的（NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3混合溶液中的極化曲線，極化曲線分析處理所得的幾種參數(shù)（見表2）。

如圖4～6所示，在這四種金屬電極中A3鋼的腐蝕電位最負(fù)，其所對應(yīng)的腐蝕電流值也最大。與之相比，304不銹鋼、鋁和H62銅電極的腐蝕電位較正，腐蝕電流值相比A3鋼的腐蝕電流值小。其中，304不銹鋼的腐蝕電位最正，腐蝕電流值相應(yīng)也最小。由圖5可知，四種金屬電極的自腐蝕電位都很相近，但其中304不銹鋼的腐蝕電流值最小。由此可知，304不銹鋼的耐蝕性能最強(qiáng)。

表2 極化曲線擬合所得電化學(xué)參數(shù)

2.4 腐蝕形貌

為了更好的了解其腐蝕情況，對腐蝕試樣進(jìn)行了微觀腐蝕形貌觀察[5]。圖7、圖8、圖9是30℃下四種材質(zhì)在 10%的（NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及 10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液中的靜態(tài)腐蝕失重實驗試片去除腐蝕產(chǎn)物后基體的掃描電鏡，其中a、b、c、d分別為A3鋼、304不銹鋼、鋁、H62銅的微觀腐蝕形貌圖。

從圖7、圖8、圖9可以看到，A3鋼在三種腐蝕介質(zhì)中的腐蝕最嚴(yán)重，點蝕孔數(shù)量比較多且分布雜亂[9]。鋁和H62銅有一定程度的腐蝕。304不銹鋼在三種腐蝕介質(zhì)中腐蝕最輕，基體的表面形成了鈍化膜，阻止腐蝕向內(nèi)部進(jìn)行[10-12]。

3 結(jié)論

（1）A3鋼、304不銹鋼、鋁、H62銅等四種材質(zhì)在10%的 （NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及 10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液中，304不銹鋼的耐腐蝕性能最強(qiáng)。

（2）在三種模擬溶液中，304不銹鋼的容抗弧的半徑最大，腐蝕速率最小，耐腐蝕性能最強(qiáng)。

（3）在三種模擬溶液中，304不銹鋼的腐蝕電流最小，其耐腐性能最強(qiáng)。

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