典型金屬材料在淡化海水中的腐蝕性能

李 超，李志超，吳 恒，張 波

（1.青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司，青島266071；2.鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究所，青島266071）

水資源緊缺形勢(shì)日益嚴(yán)重，淡化海水代替淡水作為循環(huán)冷卻水已逐漸被沿海企業(yè)所采用。由于海水屬于強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，雖然淡化后的海水中腐蝕性離子濃度明顯降低，但其仍具有比淡水強(qiáng)的腐蝕能力，容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生腐蝕故障［1］。另外，由于各種需要，循環(huán)水中常常要加入阻垢劑或緩蝕劑等各種化學(xué)藥劑，這也會(huì)增加循環(huán)水的腐蝕性［2-4］。為了合理選擇設(shè)備材料，避免腐蝕事故的發(fā)生，應(yīng)對(duì)淡化海水介質(zhì)中服役材料的耐蝕性進(jìn)行研究。目前，材料在循環(huán)水中腐蝕性的研究主要以淡水循環(huán)水［5-6］和海水循環(huán)水［7-10］為試驗(yàn)介質(zhì)，而對(duì)淡化海水循環(huán)水的研究較少［11］。

本工作選擇典型金屬材料碳鋼、不銹鋼和黃銅作為研究對(duì)象，研究了其在淡化海水介質(zhì)中的耐蝕性，并研究溫度和緩蝕阻垢劑對(duì)耐蝕性的影響，為使用淡化海水作為循環(huán)冷卻水的工業(yè)系統(tǒng)的合理選材提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為10＃碳鋼、321不銹鋼和HSn70-1A黃銅，化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)材料合金元素成分 %

試驗(yàn)介質(zhì)為某公司采用反滲透技術(shù)生產(chǎn)的淡化海水，濃縮后作為試驗(yàn)用水。水質(zhì)指標(biāo)如下：pH＝8.67，電導(dǎo)率為1.277ms·cm-1，鹽度為0.64%，Cl-質(zhì)量濃度為350mg·L-1，溶解氧6.82mg·L-1；添加的緩蝕阻垢劑為海水淡化公司提供的循環(huán)水配套緩蝕劑，添加質(zhì)量濃度為160mg·L-1，用氯化鈣調(diào)節(jié)溶液鈣硬度為75mg·L-1，用氫氧化鈉和碳酸氫鈉調(diào)節(jié)堿度為200mg·L-1，鈣硬度和總堿度均以碳酸鈣計(jì)，pH調(diào)為8.5。試驗(yàn)溫度分別為35℃，50℃和70℃。

1.2 浸泡試驗(yàn)

浸泡試樣尺寸為50mm×25mm，厚度為2～3mm，側(cè)面拋光，主試驗(yàn)面磨光，粗糙度Ra為3.2μm。試樣用丙酮去除油污，干燥，測(cè)量試樣尺寸，精確至0.01mm，稱量試樣質(zhì)量，精確至1mg。

試驗(yàn)方法參照GB／T 7901-1999進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為30d；試驗(yàn)結(jié)束后拍攝試樣表面腐蝕形貌，清除腐蝕產(chǎn)物后稱量，計(jì)算腐蝕速率。腐蝕產(chǎn)物去除按GB／T 16545-1996進(jìn)行。

1.3 電化學(xué)試驗(yàn)

循環(huán)伏安曲線測(cè)定采用三電極體系，飽和甘汞電極（SCE）作參比電極，鉑電極作輔助電極，工作電極為316L。將試樣加工成1cm×1cm的方形試樣，焊接銅導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂封固，試樣裸露面積為1cm2。試驗(yàn)前將試樣的表面用水砂紙逐級(jí)打磨至1 000＃，然后用丙酮、去離子水依次清洗，冷風(fēng)吹干，放入干燥器干燥備用。

用EG＆G 2273電化學(xué)工作站測(cè)量循環(huán)伏安曲線，待試樣開路電位穩(wěn)定后測(cè)定其循環(huán)伏安曲線。掃描電位從自腐蝕電位開始向陽(yáng)極方向掃描，掃描速率為2mV·s-1，掃描至自腐蝕電位以上900mV后回掃至自腐蝕電位。

2 結(jié)果與討論

2.1 10＃碳鋼

圖1為10＃碳鋼在不同溫度下浸泡試驗(yàn)后的腐蝕形貌。10＃碳鋼在淡化海水中的腐蝕產(chǎn)物主要分為兩層，外層腐蝕產(chǎn)物為黃色和褐色，腐蝕產(chǎn)物疏松且附著力較差，內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物為黑色，附著力較好。加入藥劑后，10＃碳鋼表面呈現(xiàn)出不均勻腐蝕現(xiàn)象，腐蝕產(chǎn)物以褐色和黑色為主，附著力較好。由圖1（d）和1（h）可見，10＃碳鋼主要發(fā)生均勻腐蝕。

圖1 10＃碳鋼浸泡試驗(yàn)腐蝕形貌

圖2為10＃碳鋼在不同溫度淡化海水中的腐蝕速率。由圖2可見，隨著溫度升高，10＃碳鋼的腐蝕率增加，最高超過(guò)0.35mm·a-1；加入緩蝕阻垢劑后，相同溫度下腐蝕率略有降低，仍隨溫度升高而增大，最高接近0.3mm·a-1。這說(shuō)明在淡化海水中，對(duì)碳鋼在淡化海水中的腐蝕具有微弱的抑制作用，溫度對(duì)腐蝕速率影響更大。

圖2 10＃碳鋼在不同溫度淡化海水中的腐蝕速率

2.2 HSn70-1黃銅

圖3為在黃銅HSn70-1在不同溫度下浸泡試驗(yàn)后的腐蝕形貌。HSn70-1表面出現(xiàn)斑狀紅色沉積物，隨溫度升高，紅色沉積物增多。這是因?yàn)辄S銅HSn70-1發(fā)生了脫鋅腐蝕，使銅沉積在試樣表面。從圖3（d）可以看出，加入緩蝕阻垢劑后，黃銅HSn70-1在70℃下仍不發(fā)生脫鋅腐蝕，這說(shuō)明該緩蝕阻垢劑能夠抑制脫鋅腐蝕的發(fā)生。

圖4為HSn70-1黃銅在不同溫度淡化海水中的腐蝕速率。在淡化海水中，在溫度較高（70℃）時(shí)，HSn70-1黃銅的腐蝕速率較大，約0.035mm·a-1；加入緩蝕阻垢劑后，腐蝕速率明顯降低到0.01mm·a-1以下。溫度較低時(shí)，腐蝕速率均小于0.01mm·a-1，加入緩蝕阻垢劑后，腐蝕速率略有降低。這說(shuō)明在淡化海水中，緩蝕阻垢劑對(duì)的HSn70-1黃銅脫鋅腐蝕具有抑制作用，且在溫度較高時(shí)作用明顯。

2.3 321不銹鋼

圖5為321不銹鋼在70℃時(shí)浸泡的腐蝕形貌。在淡化海水中，無(wú)論是否添加緩蝕阻垢劑，不銹鋼321均無(wú)明顯腐蝕跡象。

為進(jìn)一步研究溫度和緩蝕阻垢劑對(duì)321不銹鋼耐蝕性的影響，對(duì)321進(jìn)行循環(huán)伏安曲線測(cè)試，見圖6。

對(duì)循環(huán)伏安曲線進(jìn)行擬合，得到321不銹鋼在淡化海水中的點(diǎn)蝕特征電位，見表2。

從表2可以看出，在淡化海水中，隨著溫度升高，321的點(diǎn)蝕擊穿電位Eb和點(diǎn)蝕保護(hù)電位Epr負(fù)移。這表明溫度升高后，321的鈍化膜穩(wěn)定性降低，更容易被破壞，同時(shí)破壞區(qū)域的鈍化膜修復(fù)難度增大，材料的耐點(diǎn)蝕性能下降。加緩蝕阻垢劑后，321的點(diǎn)蝕擊穿電位Eb和點(diǎn)蝕保護(hù)電位Epr基本不變，說(shuō)明緩蝕阻垢劑對(duì)321耐點(diǎn)蝕性能的影響不大。

表2 321不銹鋼的點(diǎn)蝕特征電位

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在淡化海水循環(huán)水中，10＃碳鋼發(fā)生均勻腐蝕，腐蝕率都隨著溫度升高而增大，緩蝕阻垢劑對(duì)腐蝕有輕微的抑制作用；HSn70-1黃銅發(fā)生脫鋅腐蝕，腐蝕速率都隨著溫度升高而增大，緩蝕阻垢劑對(duì)腐蝕有抑制作用，在高溫時(shí)抑制作用明顯；不銹鋼無(wú)明顯腐蝕現(xiàn)象，但可能發(fā)生點(diǎn)蝕，隨溫度升高，耐點(diǎn)蝕性能降低，緩蝕阻垢劑對(duì)不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能影響不大。

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