鹽水的腐蝕機理及緩蝕劑的研究

白松泉，宋 喆，陳錫良

（朝陽光達化工有限公司， 遼寧 朝陽 122000）

鹽水的腐蝕機理及緩蝕劑的研究

白松泉，宋 喆，陳錫良

（朝陽光達化工有限公司， 遼寧 朝陽 122000）

針對氯化鈣等鹽水對碳鋼等金屬的腐蝕問題，對鹽水的腐蝕機理進行了研究，研制了LMH系列鹽水專用緩蝕劑，該緩蝕劑不含鉻酸鹽、亞硝酸鹽等有毒有害成分，屬環境友好型產品。同時該產品具有用量低、緩蝕效率高等優點。介紹了實驗過程中影響緩蝕率的因素，產品緩蝕率可達97%以上。

緩蝕劑；緩蝕機理；鹽水；緩蝕率；安全環保

目前，氯化鈣、氯化鈉等鹽水被廣泛用于石油、化工、制藥、食品等領域作為鉆井液[1]、完井液、載冷劑等。由于鹽水具有價格低廉、來源廣泛、冰點低等優點，工業生產中仍大量使用。然而，與淡水相比，鹽水對金屬具有更強的腐蝕性，會對管道、設備造成嚴重腐蝕，甚至泄漏，即使是不銹鋼也抵抗不了鹽水的侵蝕。因此，鹽水的使用中最重要的問題就是如何有效解決其腐蝕性問題，這已經是一個世界性難題。而解決這一問題最直接有效的方法就是添加鹽水緩蝕劑。如何獲得良好的鹽水緩蝕劑，是多年以來化學工程師一直深入研究的課題。

當前市場上出售的鹽水緩蝕劑種類繁多，按化學組成可以分為[2]無機鹽水緩蝕劑、有機鹽水緩蝕劑、聚合物鹽水緩蝕劑。無機緩蝕劑主要包括鉻酸鹽、重鉻酸鹽、亞硝酸鹽、鉬酸鹽、鎢酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽等；有機緩蝕劑主要包括含硫、氮等雜環化合物、咪唑啉及其季銨鹽類、Mannich堿、烯醇類等；聚合物緩蝕劑主要包括聚乙烯醇、聚天冬氨酸等。按物理化學機理可以將緩蝕劑分為氧化膜型緩蝕劑、沉淀膜型緩蝕劑、吸附膜型緩蝕劑。按電化學機理可以分為陽極緩蝕劑、陰極緩蝕劑、混合類型緩蝕劑。

然而以上提到的緩蝕劑均存在嚴重問題，如用量大、緩蝕效果不明顯、緩蝕率低不超過85%、毒性大，對人體和環境造成嚴重的損害和污染。今后，鹽水緩蝕劑的發展方向[3,4]將會是高效、低毒、無污染的環境友好型產品。基于此，研制開發了 LMH系列高效鹽水專用緩蝕劑，與傳統的鹽水緩蝕劑相比其優點是緩蝕率高、添加量低、無毒無污染、安全環保，是環境友好型產品。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

鹽水介質：氯化鈣溶液；

緩蝕試片材料：Q235碳鋼試塊、紫銅試塊、304不銹鋼試片；

緩蝕劑：LMH02、LMH03鹽水專用緩蝕劑，為我廠生產產品。

實驗儀器：旋轉掛片腐蝕試驗儀、低溫冰點測試儀、高溫烘箱、離子色譜、分析天平等。

1.2 腐蝕性能測試方法

采用靜止實驗和旋轉掛片法測試鹽水緩蝕劑的緩蝕率，將碳鋼、紫銅、不銹鋼分別用丙酮、無水乙醇浸泡一定時間，取出干燥后稱重放入鹽水中進行實驗。一定測試時間后出去，清除表面雜質后稱重，計算腐蝕速率、緩蝕率。同時利用冰點儀和離子色譜檢測加入緩蝕劑后，鹽水的冰點及組分變化情況。

1.3 實驗數據處理

腐蝕速率計算公式：

式中：vcorr——腐蝕速率，mm/a；

m0——實驗前試塊質量，g；

m ——實驗后試塊質量，g；

A ——試塊表面積，cm2；

ρ ——試塊的密度，g/cm3;

t ——實驗時間，h。

緩蝕率計算公式：

式中：v0——未加緩蝕劑的腐蝕速率，mm/a。

2 鹽水的腐蝕機理探究

鹽水對碳鋼的腐蝕受多方面因素影響，如氯離子濃度、溫度、pH、鹽水的流速、鹽水中的溶解氧含量等，多種原因共同作用，造成了鹽水的強腐蝕性。

鹽水中Cl-的存在會使碳鋼、不銹鋼產生孔蝕和應力腐蝕破裂。同時，氯離子的存在還會影響金屬形成鈍化膜。其具有強穿透力，即使形成保護膜的部分，也會遭到Cl-的破壞。碳鋼在含有溶解氧的鹽水中，即使有少量的Cl-存在，也會造成腐蝕，這是由于金屬表面不可能是絕對光滑的，稍有異物或金屬結構上原因形成縫隙的部分，就會導致 Cl-的富集，隨著時間的增長，造成嚴重腐蝕。在濃度較低的鹽水中（Cl-濃度低于1 000 μg/L）同時，溶解氧含量也低于1 000 μg/L時，碳鋼的腐蝕速率不大，隨著氯離子含量的增大，腐蝕速率明顯加快。同時，隨著溫度的升高、pH的降低，腐蝕速率也加快，溫度升高，分子運動速度加快，成膜能力下降，加速了腐蝕，pH降低，易造成金屬的析氫腐蝕。

金屬在鹽水中的腐蝕是一系列復雜的電化學過程，隨著鹽水濃度的增大，溶液的電導率增大，腐蝕速率就增大。但實驗發現，Cl-濃度對腐蝕的影響有一個極值點，超過這個點，隨著氯離子濃度的增加，腐蝕速率會出現下降的趨勢，這是由于鹽水濃度增大，會造成溶解氧含量的下降，從而腐蝕速率降低。由此可以確定，碳鋼在鹽水中的腐蝕主要為氧的去極化過程[5]，反應如下：

陽極反應：Fe → Fe2++ 2e-

陰極反應：(1/2)O2+ H2O + 2e-→ 2OH-

熟悉了鹽水對金屬的腐蝕機理，基于此，從機理出發，研制鹽水緩蝕劑，傳統鹽水緩蝕劑多為單層膜防護技術，其缺點是緩蝕率低，緩蝕效果不明顯，形成的保護膜易被Cl-破壞形成穿孔，從而腐蝕。我公司開發了M3超膜防銹技術，即通過添加藥劑形成三重保護膜防止金屬的腐蝕，同時，加入特殊藥劑，阻斷了氧的去極化腐蝕，兩種手段聯合，極大地減緩了鹽水對金屬的腐蝕速率(表1)。

表1 靜止實驗現象及結果Table 1 Phenomena and results of static experiment

3 實驗結果與討論

3.1 靜止浸泡實驗

將Q235碳鋼塊、紫銅試塊、不銹鋼試塊分別放入30%氯化鈣鹽水中，另取三份鹽水、三個試塊加入 1%緩蝕劑做對比，其中碳鋼、不銹鋼鹽水中加入1%的LMH02鹽水專用緩蝕劑，紫銅試塊的鹽水中加入1%的LMH03鹽水專用緩蝕劑，所有試塊在敞開系統中進行靜止浸泡實驗，168 h后觀察試塊及鹽水狀態，并進行測量，實驗結果見表1。

3.2 旋轉掛片實驗

在實際應用中，很少有用靜止狀態下使用鹽水的，因此旋轉掛片實驗結果更接近真實情況，將Q235碳鋼塊、紫銅試塊、不銹鋼試塊分別放入30%氯化鈣及加入LHM緩蝕劑后的30%氯化鈣中，進行旋轉掛片實驗。168 h后觀察試塊及鹽水狀態，并進行測量實驗結果見表2。

表2 旋轉掛片實驗現象及結果Table 2 Phenomena and results of rotary coupon experiment

3.3 緩蝕劑添加量對防腐蝕性的影響

在原實驗基礎上又考察了緩蝕劑的添加量對緩蝕率的影響，實驗結果如圖1所示。圖中可以看出，當緩蝕劑濃度低于0.5%時，緩蝕率較低，這是由于緩蝕劑量不足，不能有效成膜保護金屬表面，其腐蝕特點是局部出現點蝕，腐蝕不斷擴散；隨著緩蝕劑添加量的加大，緩蝕率明顯提高，當添加量為1%時，緩蝕率達到最大為97.26%，此時金屬處于較好的保護狀態，繼續添加緩蝕劑，緩蝕率反而下降，這是因為緩蝕劑中的某組分過量，破壞了金屬表面形成的保護膜，造成了局部點蝕。因而，在實際使用中，應按照標準嚴格控制緩蝕劑添加量。從而保證緩蝕劑的最佳功效。

圖1 緩蝕劑的添加量與緩蝕率曲線Fig.1 Amount of corrosion inhibitor and corrosion rate curve

圖2 實驗溫度與緩蝕率曲線Fig.2 Experiment temperature and corrosion rate curve

3.4 實驗溫度對防腐蝕性的影響

圖2為實驗溫度與緩蝕率曲線圖，圖中可以看出，隨著溫度的增高，緩蝕率呈現下降趨勢，這是由于溫度增高，溶液中分子運動速率加快，緩蝕劑與金屬表面形成膜的穩定性下降，因而導致緩蝕率降低。曲線中還可以看出，當溫度為70 ℃時，LMH緩蝕劑的緩蝕率仍可達到92%以上，屬耐高溫類型。

4 結 論

（1）LMH系列鹽水專用緩蝕劑，經實驗測試證明，抗氯離子腐蝕性能較好，緩蝕作用強，對碳鋼、紫銅、不銹鋼均有很好的防腐蝕性，緩蝕率高達97%以上，大大優于目前市場上現有的鹽水緩蝕劑。

（2）緩蝕劑最佳添加量在1%左右。

（3）隨著溫度的增高，緩蝕率相對逐漸下降，70℃時緩蝕率可達 92%以上，緩蝕劑耐高溫性能較好。

（4）LMH系列鹽水緩蝕劑為環境友好型產品，投入工業使用，可帶來較好的經濟效益和社會效益，對社會的發展、技術的進步具有重要意義。

［1］陳凱，黃志宇，劉杰．鹽水緩蝕劑的合成及性能評價[J]．西南石油大學學報，2007，29：89-91．

［2］張天勝．緩蝕劑[M]．北京：化學工業出版社，2003:6-8．

［3］郭學輝，王康，胡百順，等．氨基酸類緩蝕劑緩蝕機理研究進展[J]．腐蝕科學與防護技術，2013，25(1)：63-66．

［4］余偉明，王湘，劉群．低溫水系統綠色環保型緩蝕劑的研究[J]．腐蝕與防護，2003，24(6)：241-243．

［5］侯玲玲．鹽水腐蝕機理與緩蝕劑研究[D]．湖北：長江大學，2012．

Research on Corrosion Mechanism of Brine and Corrosion Inhibitors

BAI Song-quan，SONG Zhe，CHEN Xi-liang

（Chaoyang Guangda Chemicals Co.,Ltd.，Liaoning Chaoyang 122000, China）

Aiming at the corrosion problem of saline water on carbon steel and other metals, the corrosion mechanism of brine was researched, and LMH series saline water corrosion inhibitors were developed. The inhibitors do not contain chromate, nitrite and other toxic and harmful ingredients, belong to environment friendly products. At the same time, it has low dosage and high inhibition efficiency. At last, factors to affect the inhibition efficiency in the experiment were introduced. The inhibition efficiency can reach above 97% under suitable conditions.

Corrosion inhibitor；Inhibition mechanism；Brine；Inhibition efficiency；Environmental protection

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）03-0484-03

2015-01-26

白松泉，男，遼寧朝陽人，高級工程師，1984年畢業于大連工學院無機化工專業，從事精細化工技術研發工作。E-mail 248285123@qq.com。