20#鋼在氫氣壓縮系統冷凝水溶液中的腐蝕行為研究

黃祥凱 林劍偉 黃小龍 黃云云 劉康林

(1．福州大學石油化工學院；2.福建石化集團湄洲灣氯堿工業有限公司)

某氯堿廠BDO系統采用S6D20型氫氣增壓壓縮機系統，系統運行過程中，材料為20#鋼的排油水管道和換熱器列管均存在腐蝕穿孔的問題，并且隨著壓縮機級數的增加，腐蝕程度愈發嚴重，致使壓縮系統頻繁停機，嚴重影響裝置系統的正常生產。壓縮介質經過冷卻分離器后會有冷凝液產生，初步估計產生的冷凝液會對20#鋼管產生腐蝕，為了探究20#鋼在冷凝液中的腐蝕行為，筆者提取了壓縮系統1～3級冷凝液，進行20#鋼電化學腐蝕實驗。

1 腐蝕模擬實驗

1.1實驗材料和儀器

試件材料為20#鋼，成分見表1。試片規格為10mm×10mm×4mm。經線切割的試樣用超聲波清洗儀清洗，烘干后將長度為15cm的銅線兩端去除絕緣皮，一端1cm，另一端2～3mm，將短邊用錘子砸扁后焊接在試件工作表面的背面。焊接完成后將試樣置于PVC圓環中用環氧樹脂封裝，預留工作面積10mm×10mm。

表1 20#鋼化學成分 wt%

腐蝕介質為某廠氫氣壓縮機中間冷卻器中的冷凝液。腐蝕測試采用 CR-6腐蝕速率測量系統，輔助電極采用鉑電極，參比電極采用232型飽和甘汞電極，給定極化電位為-10～10mV。恒電位控制精度為±0.15mV，電化學實驗時間為50個周期。

1.2實驗設計方法

試件機加工后先用200#～600#水砂紙逐級打磨，接著用3 000#水砂紙打磨，再用拋光機拋光，經無水乙醇清洗烘干后備用。將鹽橋擦拭干凈，飽和甘汞電極和鉑金輔助電極先用去離子水清洗，再用無水乙醇清洗干凈。本次實驗每一級腐蝕液均進行3次平行實驗，極化電阻、腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率取3次實驗結果的平均值，每一次實驗完成后用無水乙醇清洗試件表面，烘干后在光學顯微鏡下觀察，查看試樣表面實驗后的變化。

2 實驗結果討論

2.1腐蝕形貌觀察

試樣在3級腐蝕液中的電化學實驗完成后，取出試樣用無水乙醇清洗處理干凈，試樣的宏觀腐蝕形貌如圖1所示。可以看出，腐蝕反應完成后試樣表面覆蓋了一層氧化膜，并且有腐蝕坑產生。

圖1 試樣宏觀腐蝕形貌

腐蝕坑的產生主要是由于腐蝕微電池的形成所致[1～3]。20#鋼屬于優質碳素鋼，一般都含有硫化物及碳化物等夾雜物，而夾雜物的電位要比周圍碳鋼基體的電位更高些，且析氫電位在夾雜物上更低，因此在鋼中形成了腐蝕微電池。反應發生后，20#鋼基體作為腐蝕微電池的微陽極優先溶解，隨后夾雜物脫落下來形成腐蝕坑。在光學顯微鏡下觀察到試樣反應前、后的微觀腐蝕形貌如圖2～5所示。

圖2 試樣腐蝕前微觀形貌

圖3 1級冷凝水腐蝕后微觀形貌

圖4 2級冷凝水腐蝕后微觀形貌

圖5 3級冷凝水腐蝕后微觀形貌

從微觀腐蝕形貌可以看出，隨著壓縮級數的增加，壓縮介質冷卻后產生的冷凝水對20#鋼試樣的腐蝕程度逐漸加深：1級冷凝水對試樣的腐蝕主要表現為產生少量腐蝕坑；2級冷凝水使試樣腐蝕坑加深、加多；3級冷凝水使腐蝕的程度更深。為了探究壓縮系統冷凝液的腐蝕機理，通過玻璃電極法和硝酸銀滴定法測得各級腐蝕液均呈酸性，并且隨著級數增加Cl-濃度逐漸加大。已有的研究成果表明，酸性腐蝕液中存在Cl-會促進碳鋼反應面蝕孔腐蝕，并且腐蝕速率隨著Cl-濃度增大而增大[4～7]。產生上述結果主要是因為在蝕孔產生后，蝕孔內金屬發生溶解，生成Fe2+，隨著Fe2+不斷增加，為了保持電中性，溶液中的Cl-向孔內移動，孔內Cl-濃度升高，在酸性溶液中Cl-腐蝕濃度臨界值下降，Cl-在酸性條件下會被有效激活，腐蝕孔處于活性溶解狀態，促進了腐蝕破壞的發展，隨著Cl-增多，腐蝕程度逐漸加深。

2.2實驗數據對比

2.2.1基本實驗數據

實驗測試的參數主要有極化電阻、腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率，實驗數據分別見表2～4。

表2 1級冷凝水腐蝕實驗數據

表3 2級冷凝水腐蝕實驗數據

表4 3級冷凝水腐蝕實驗數據

每級極化電阻、腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率的數據取3次反應平均值，進行對比可以看出，極化電阻隨著級數增加逐漸變小，腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率隨著級數增加逐漸變大，這與光學顯微鏡觀察后得出的結果吻合。

2.2.2極化曲線

通過CR-6腐蝕速率測量系統，可以得到極化電流-時間變化趨勢圖，極化電流曲線如圖6～8所示。

圖6 1級極化電流曲線

圖7 2級極化電流曲線

圖8 3級極化電流曲線

可以看出，1級陽極和陰極極化電流在反應過程中較穩定，沒有太大變化；2、3級陽極極化電流在反應過程中均產生波動，陰極極化電流均比較穩定，反應周期末尾，2、3級陽極極化電流也趨于穩定。數據變化曲線趨于平緩，說明腐蝕反應逐漸減弱，原因是隨著腐蝕產物增多，增厚了金屬基體和腐蝕液之間的阻礙層，影響了氧及腐蝕液中陰離子傳遞，使反應減緩。而1～3級腐蝕液陽極極化電流反應過程中的波動逐漸加大，主要是因為隨著壓縮級數增加，溶液Cl-濃度加大，在多種因素共同作用下腐蝕速率逐漸加大的結果。

3 腐蝕機理探討

20#鋼在腐蝕液中表現為活性溶解腐蝕的特征，陽極反應為：

Fe→Fe2++2e-，Fe2+→Fe3++e-

在腐蝕液中，陰極過程氧被還原，在陰極區域形成OH-離子，陰極過程是控制腐蝕的主要過程，主要受氧擴散控制，電極反應為：

O2+2H2O+4e-→4OH-

隨著反應進行，可以在試樣表面觀察到氫氣泡產生，此時陰極極化電流迅速增大，電極反應為：

2H++2e-→H2↑

隨著壓縮級數增加，Cl-濃度升高，陽極極化電流也隨之升高，這表明Cl-濃度對腐蝕速率產生了影響，濃度越大，反應速率越大[8，9]。

4 結束語

壓縮系統氫氣冷卻后產生的酸性含Cl-冷凝液會對20#鋼產生腐蝕，反應后試件表面產生氧化膜和腐蝕坑。隨著1～3級Cl-濃度的遞增，腐蝕電流密度、失重和腐蝕速率隨著級數增加逐漸增大，極化電阻隨著級數增加逐漸變小，說明鋼的腐蝕程度也從1～3級逐漸加深。為減少腐蝕及其危害，一方面應及時將壓縮機中間冷卻器中的積水清除掉；另一方面應盡可能脫除氫氣中的水分及Cl-，以從源頭消除腐蝕隱患。

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