Q235鋼在不同溫度和濃度下氫氟酸中的腐蝕性研究

(1.寶雞石油有限責(zé)任公司遼陽鋼管廠，遼寧 遼陽 111000；2.遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

Q235鋼在不同溫度和濃度下氫氟酸中的腐蝕性研究

李 壯1黨曉雨1梁 平2

(1.寶雞石油有限責(zé)任公司遼陽鋼管廠，遼寧 遼陽 111000；2.遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

為了研究Q235鋼在氫氟酸中的腐蝕性，通過維氏硬度試驗、拉伸試驗對Q235鋼進行了力學(xué)性能分析，通過光譜分析儀和金相顯微鏡對Q235鋼進行化學(xué)成分分析和組織觀察。采用室內(nèi)浸泡法考察了Q235鋼在不同溫度和不同濃度下的氫氟酸溶液中的腐蝕性能。結(jié)果表明：Q235隨著氫氟酸腐蝕溶液溫度的升高腐蝕加劇。而在不同濃度下，氫氟酸濃度為30%（體積比）的腐蝕速率最低，在40%氫氟酸中腐蝕速率最高。

Q235鋼 溫度 濃度 氫氟酸 腐蝕

0 前言

氫氟酸具有較強的腐蝕性，常用的碳鋼材料很難耐受住該介質(zhì)的長期腐蝕作用[1]。有關(guān)碳鋼在氫氟酸介質(zhì)中腐蝕性能究竟如何的研究較少。為此，本文采用Q235通過浸泡的方法，考察了Q235鋼在不同溫度和濃度下在氫氟酸介質(zhì)中的耐蝕性，以其該研究結(jié)果能為工業(yè)應(yīng)用提供參考價值。

1 實驗方法

1.1試樣制備

實驗材料為Q235鋼，其工藝流程為：打磨試樣→清洗→丙酮擦拭→10%稀硫酸（體積比）→水洗→ 吹干→檢測。采用HHS電熱恒溫水浴鍋控制溫度，采用TG504分析天平稱量試樣質(zhì)量。

1.2 Q235鋼試樣的理化性能測試方法

采用維氏硬度測試儀對Q235鋼進行硬度測試，采用微控電子萬能試驗機對Q235鋼的屈服強度、抗拉強度進行了測試，采用Leica金相顯微鏡對Q235鋼進行組織觀察，采用光譜儀對Q235鋼化學(xué)成分進行分析。

1.3腐蝕性檢測方法

將尺寸為50.0mm×25.0mm×5.6mm的Q235鋼放入質(zhì)量分數(shù)為40%氫氟酸溶液中浸泡，溫度為20℃、30℃、40℃、50℃，腐蝕時間為192h，分別計算各自的腐蝕速率。再將同樣尺寸的Q235鋼放入質(zhì)量分數(shù)為10%、20%、30%、40%（體積比）的氫氟酸溶液中浸泡，溫度為60℃，腐蝕時間為168h，并計算出各自的腐蝕速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 Q235鋼的理化性能分析

2.1.1 Q235鋼的力學(xué)性能

Q235鋼的表面硬度如圖1所示。從圖中可以看出，Q235鋼的表面壓點較大，分別對Q235鋼表面取不同的5個點進行維氏硬度測試。Q235鋼的維氏硬度值分別為228.9HV，217.9HV，204.3HV，192.0 HV，211.9HV。平均值為211.0HV。

圖1 Q235鋼維氏硬度測試

表1為Q235鋼的屈服強度、抗拉強度、延長率的具體數(shù)值。

表1 Q235鋼的力學(xué)性能測試

2.1.2 Q235鋼金相組織觀察

采用Leica金相顯微鏡對Q235鋼進行金相組織觀察，結(jié)果如圖2所示。可以看出，Q235鋼的組織是由鐵素體和珠光體組成。

圖2 Q235鋼金相組織

2.1.3 Q235鋼的化學(xué)成份分析

采用光譜分析儀對Q235鋼進行化學(xué)成份分析，表2為Q235鋼的化學(xué)成份分析具體數(shù)值，主要含有的微量元素除C外，還有Mn、Si以及P、S。其中Mn和Si是有益的元素，對鋼具有強化作用。但是不高于1%和0.5%的情況下并不明顯。而P則會使鋼的塑性降低，S則會使鋼的脆性增大。

表2 Q235鋼的化學(xué)成份分析

2.2腐蝕速率分析

圖3為Q235鋼在20℃、30℃、40℃、50℃的40%氫氟酸中浸泡192h后，計算各自的年腐蝕速率。測試結(jié)果表明，折合成年腐蝕速率分別約為0.2128mm/a、0.4794mm/a、0.5803mm/a、0.6111mm/a。

圖4為Q235鋼在60℃濃度為10%、20%、30%、40%的氫氟酸浸泡168h后的腐蝕速率。測試結(jié)果表明，折合成年腐蝕速率分別約為1.628mm/a、2.033mm/a、0.986mm/a、2.131mm/a。

圖3 Q235鋼在不同溫度下的腐蝕數(shù)率

圖4 Q235鋼在不同濃度下的腐蝕數(shù)率

從圖3能看出在20℃、30℃、40℃、50℃范圍內(nèi)，氫氟酸對Q235鋼的年腐蝕速率是隨著溫度的升高而升高。隨著溫度的升高，腐蝕現(xiàn)象加重。對化學(xué)反應(yīng)過程來說，氫與鐵反應(yīng)，鐵失去電子，氫離子得到電子變成氫氣, 氫離子濃度高低決定反應(yīng)速率的快慢。溫度高提高HF電離度，H+反應(yīng)活性提高。而且溫度高是加速氧的含量，氧氣在碳鋼腐蝕原電池中起著積極的作用，使去極化效果增強，溫度升高會使反應(yīng)加速。另外氫氟酸與碳鋼生成氟化鐵，氟化鐵是一種致密的銹化物，附在金屬表面形成一種保護膜，對Q235鋼起到保護作用，能夠減緩腐蝕，但是保護膜會隨著溫度的升高而不斷的脫落[2,3]。因此隨著溫度的升高Q235鋼的年腐蝕也隨著升高。

從圖4能夠看出，在40%濃度下的氫氟酸平均年腐蝕速率最高，而在30%濃度下平均年腐蝕速率最低。圖5-圖6為Q235鋼在不同濃度下氫氟酸腐蝕前后的外貌。從化學(xué)反應(yīng)過程來看，氫離子在碳鋼中的離子濃度對碳鋼的不同影響, 氫氟酸濃度高，氫離子濃度增加，可能生成鈍化膜減弱腐蝕進程, 但是隨著氫離子濃度的繼續(xù)增加 有可能不易生成鈍化膜而導(dǎo)致加速腐蝕。當氫氟酸濃度為10%和20%時，Q235鋼表面都有一層疏松的黑色或暗灰色物質(zhì)，容易洗掉。濃度為30%時，Q235鋼表面呈暗灰色和部分黑色物質(zhì)，也容易洗掉，并出現(xiàn)較為堅硬的片狀白斑與Q235鋼結(jié)合較好，用砂紙打磨白斑，Q235鋼表面出現(xiàn)點坑狀，碳鋼表面發(fā)生了鈍化，生成了難溶的氟化物，腐蝕速率較低。濃度為40%時，試樣表面呈暗灰色，此時氟離子起了活化作用并破壞了碳鋼的鈍化，所以腐蝕速率又開始上升[4]。

圖5 Q235鋼在不同濃度腐蝕前表面形貌

圖6 Q235鋼在不同濃度氫氟酸腐蝕后表面形貌

3 結(jié)論

從以上實驗數(shù)據(jù)可以看出，Q235隨著氫氟酸腐蝕溶液溫度的升高腐蝕加劇。而在不同濃度下，氫氟酸濃度為30%(體積比)的腐蝕速率最低，在40%氫氟酸中腐蝕速率最高。因此，考慮到以上條件影響Q235在氫氟酸中的腐蝕速率，因此，盡量避免碳鋼高溫情況下與氫氟酸接觸，又要控制氫氟酸中的水含量。蒙乃爾(Mone1)合金具有極好的抗氫氟酸腐蝕特性，是目前最為理想的抗氫氟酸腐蝕材料，但因其價格較高需要進口而限制了它的廣泛使用[5,6]。除采用蒙乃爾合金防止氫氟酸腐蝕外，還可采用在表面鍍層的方法來改善碳鋼在氫氟酸中的耐蝕性。

[1] 尹德才, 高繼東. 金屬材料在氫氟酸中的腐蝕[J]. 化工機械, 1993, 20(2): 115-120.

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[3] 李曉剛. 材料腐蝕與防護[M]. 中南大學(xué)出版社 2009, 3.

[4] 蔡榮秋. HF生產(chǎn)裝置的腐蝕機理及安全防護技術(shù)探討[J]. 安全與健康: 上半月, 2007, (5): 40-41.

[5] 郭寧, 秦紫瑞. 耐氫氟酸新型鑄造合金的組織與腐蝕行為的研究[J]. 上海有色金屬, 2003, 24(2): 59-64

[6] Singh V B, Gupta A. The electrochemical corrosionand passivation behavior of Monel(400) in concentrated acids and their mixtures[J]. Journal of Materials Science, 2001, 36(6): 1433-1442

The Corrosion Research of Q235 Steel in Hydrofluoric Acid at Different Temperature and Concentration

LI Zhuang1, DANG Xiao-yu1, LIANG Ping2
(1.Liaoyang Pipe Factory of Baoji Petroleum Steel Pipe Co. ltd , Liaoyang 111000, China; 2.School of Mechanical Engineering, Liaoning Shi hua University, Fushun 113001, China)

In order to study the corrosion of Q235 steel in hydrofluoric acid, The Q235 steel mechanical performance analysis by vickers hardness test and tensile test , and Q235 steel chemical composition analysis and microstructure observation with spectrum analyzer and metallographic microscope. Using indoor soaking method and examined the Q235 steel acid corrosion under different temperatures and concentration of hydrofluoric. The results showed that: Q235 corrosion intensified with the increase of hydrofluoric acid etching solution temperature. And under different concentrations, the corrosion rate is the lowest in Hydrofluoric acid concentration of 30%(volume ratio), and in 40% hydrofluoric acid corrosion rate is the highest.

Q235 steel; temperature; concentration; hydrofluoric acid; corrosion

TG174.2

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.08.060.03

李壯 (1985-) ，遼寧撫順人，碩士，助理工程師，從事管道行業(yè)安全管理工作。