ND鋼耐低溫露點腐蝕性能的研究

常 季, 陳 吉,崔 霄

(1.遼寧石油化工大學機械工程學院,遼寧 撫順 113001;2.楚天華通醫藥設備有限公司，吉林 長春 130507)

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ND鋼耐低溫露點腐蝕性能的研究

常 季1,2, 陳 吉1,崔 霄1

(1.遼寧石油化工大學機械工程學院,遼寧 撫順 113001;2.楚天華通醫藥設備有限公司，吉林 長春 130507)

ND鋼是目前國內外最理想的“耐硫酸低溫露點腐蝕”鋼材。采用浸泡質量損失實驗對 ND 鋼、304 不銹鋼和20R在硫酸介質中的腐蝕情況進行了研究，來模擬硫酸的低溫露點腐蝕。討論了硫酸質量分數、腐蝕溫度對腐蝕速率的影響，并結合掃描電子顯微鏡(SEM)、電化學工作站對材料的表面形貌及電化學性能進行分析。結果表明：ND鋼的耐腐蝕效果明顯高于20R，溫度20 ℃和40 ℃時，不同質量分數硫酸中的腐蝕速率分別為2.22～9.52 mm/a和11.41～13.56 mm/a;其耐蝕性也優于304不銹鋼，且硫酸質量分數對其腐蝕速率的影響不大，同時ND鋼具有更高的破膜電位為1 104.5 mV，抵抗腐蝕性能更強。因此ND鋼具有耐硫酸低溫露點腐蝕的能力。

ND鋼 低溫露點腐蝕 硫酸 耐蝕性

目前能源問題越來越嚴重，隨著煤、石油等化石能源的大量開采，燃料中的硫含量越來越高，從而導致燃燒、熱交換等設備遭受到嚴重腐蝕，特別是在熱交換過程中發生的硫酸露點腐蝕[1]。例如煙道、煙囪、脫硫裝置等。燃料中通常含有質量分數2%～3%的硫，經燃燒后在煙氣中產生體積分數約0.2%的SO2，其中又有體積分數1%～2%的SO2受顆粒粉塵、金屬氧化物等的催化作用而生成SO3，再與煙氣中的水分結合生成硫酸，在處于露點以下的金屬表面凝結并腐蝕金屬[2-3]，即所謂的硫酸露點腐蝕。硫酸露點腐蝕是一種苛刻的均勻腐蝕，許多材料在在這種環境下的腐蝕速率超過10 mm/a，有的甚至大于100 mm/a[4]。顧國亮[5]等人對ND鋼、316L和20號碳鋼在不同硫酸質量分數、介質溫度以及試樣的旋轉速度對三種材質的腐蝕速率進行研究，結果表明，在硫酸質量分數超過20%時，三種材質的抵抗硫酸腐蝕的順序為：ND鋼大于20號遠大于316L不銹鋼。 SHEN Hong yan[6]等人研究了鍋爐尾部的金屬壁溫對選材的影響。周梓榮[7]等人選用ND，2205，17-4PH和316L等材料，在5%NaCl溶液和

現場提取的工作介質中進行了60～80 ℃工作溫度下的腐蝕性試驗。結果表明，在5%NaCl溶液中，ND鋼耐蝕性能最好。許述劍等人研究了硫化物應力腐蝕及電化學腐蝕特性，結果表明，硫化物對鉆采設施、集輸管線及凈化裝置都會產生強烈的腐蝕作用[8-10]。Alec Groysman[11]，王榮和張建成[12]等人研究了ND鋼熱管的壽命及相容性問題。并與普通碳鋼熱管的性能及壽命作了對比實驗， 認為ND鋼管是一種新的耐酸腐蝕性能較好的材料。

因此，為了保證設備長期安全有效運轉，在考慮設備的選材方面應盡可能選擇減緩設備腐蝕的材料。該實驗主要研究了ND鋼、304不銹鋼、20R在硫酸介質中不同濃度，不同溫度對腐蝕速率的影響，從而為設備綜合選材提供依據。

1 實驗部分

實驗選用首鋼生產的低碳鋼20R和ND鋼，山西太鋼不銹鋼股份有限公司生產的304不銹鋼。其材料成分見表1。

表1 三種鋼材的化學成分 w,%

1.2 實驗設備與藥品

設備：水浴恒溫箱，BRUKER 129 ev型能量彌散X射線譜儀， PARSTAT2273電化學工作站，電子天平，FIE Quanta600 FE-SEM 型場發射掃描電子顯微鏡。

藥品：硫酸、酒精和硅膠。

1.3 實驗方法

實驗采用質量損失的方法評定ND鋼、304不銹鋼和20R三種材質在不同質量分數的硫酸中、不同的腐蝕溫度下的腐蝕速率，研究質量分數、溫度對硫酸腐蝕速率的影響。

浸泡質量損失實驗標準選用JB/T 7901—1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸實驗方法》。實驗水浴溫度為20，40和60 ℃， 硫酸質量分數為5%，10%，20%和30%。每組3個平行試樣，試樣尺寸為50 mm×25 mm×3 mm。試樣腐蝕速率V和VL(年腐蝕速率)的計算分別見公式(1)和(2)：

從移動速度上看，1978～2017年我國勞均資本重心移動呈現出先快后慢的特點。第一階段（1978～1991年）移動速度相對較快，13年間重心總計移動距離為447.29千米，平均移動速度為34.41千米／年；第二階段 （1992～1999年） 移動速度驟降為19.17千米／年；第三階段移動速度進一步降為12.68千米／年。重心移動速度放緩的背后是我國區域勞均資本格局趨于穩態的經濟事實。

(1)

式中：Wo為試樣的原始質量,g；Wt為試樣表面除去腐蝕產物后的質量,g；S為試樣表面積,cm2；t為腐蝕時間,h。

(2)

式中：ρ為材料的密度,g/cm3,計算時取7.8。

動電位極化曲線測試在EG&G公司生產的PARSTAT 2273電化學工作站上完成。采用傳統的三電極體系，用線切割切出10 mm×10 mm的正方形試樣為工作電極，石墨為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE) 為參比電極，文中所有電位均相對于SCE而言。腐蝕介質選用5% 硫酸。測試前，分別將工作電極在-0.5 V下極化3 min以去除電極表面在空氣中形成的氧化膜，然后在待測溶液中靜置1 h達到穩態。極化曲線掃描速率為0.5 mV/s。EIS測試在開路電位下進行，擾動電位為10 mV，測試頻率范圍為100 kHz～50 MHz。所有測試均采用恒溫水浴，溫度為(20± 1)℃。

2 實驗結果

2.1 20 ℃硫酸中幾種鋼的腐蝕

圖1為20 ℃時ND鋼、304不銹鋼和20R在不同質量分數硫酸中的腐蝕速率。

結果表明，20 ℃時，20R的腐蝕速率隨硫酸質量分數的增加顯著增大，而ND鋼和304不銹鋼變化緩慢。

圖1 20 ℃時幾種鋼在硫酸中的腐蝕速率

2.2 40 ℃硫酸中幾種鋼的腐蝕

圖2為 40 ℃時ND鋼、304不銹鋼和20R在不同質量分數硫酸中的腐蝕速率。

圖2 40 ℃時幾種鋼在硫酸中的腐蝕速率

結果表明，40 ℃時，隨著硫酸質量分數的增加20R的腐蝕速率仍顯著增加，當硫酸質量分數大于10%時，304不銹鋼的腐蝕速率也開始增加，ND鋼腐蝕速率幾乎不隨硫酸質量分數的增加而改變。

2.3 60 ℃硫酸中幾種鋼的腐蝕

圖3為 60 ℃時不同質量分數的硫酸對ND鋼、304不銹鋼和20R的腐蝕速率。

結果表明，60 ℃時，20R的腐蝕速率繼續增加，達到771.71 mm/a，對于304不銹鋼，當硫酸質量分數大于20%時，腐蝕速率不再增加，表現出了鈍化現象，ND鋼隨著硫酸質量分數的增加，腐蝕速率增加緩慢，仍然低于304不銹鋼。

圖3 60 ℃時幾種鋼在硫酸中的腐蝕速率

2.4 腐蝕形貌分析

采用掃描電鏡分別對ND鋼、304不銹鋼和20R鋼在40 ℃溫度下30%的硫酸腐蝕后試樣進行表面形貌進行分析，測試管電壓為15 kV，放大倍數1 000，見圖4。

由圖4(a)可知，ND鋼的γ′相粒子尺寸不均勻， 說明它們析出于時效的不同階段，大尺寸者是早期析出的，如圖4箭頭1所指，同時第二相析晶體在基體中發生應變狀態，引起部分共格應變襯度，使機體得到了強化[13]；304不銹鋼表面均被腐蝕，出現了比較均勻的腐蝕坑，；20R表面腐蝕非常嚴重，表面腐蝕凹凸不平，且點蝕坑很深，如箭頭3所指。

圖4 幾種鋼在硫酸中腐蝕后試樣形貌1 000×

2.5 電化學能的測試

圖5為在20 ℃溫度下5%硫酸中ND鋼、304不銹鋼和20R的極化曲線，擬合結果如表2。其中Ecorr,Ep,Eb和Icorr依次代表腐蝕電位，致鈍電位，鈍化膜的破膜電位和腐蝕電流。由極化曲線及擬合結果可知，304不銹鋼的自腐蝕電流Icorr為25.27 μA/cm2，自腐蝕電壓Ecorr為-352 mV ，明顯好于ND鋼和20R鋼，說明304不銹鋼在破膜前體現耐蝕性能較好,主要是因為不銹鋼含Cr量高，產生了鈍化膜的緣故；由表2可知304不銹鋼形成致鈍電位較低為-257 mV，低于ND和20R致膜電位，說明在相同條件下更易形成鈍化膜；但由破膜電位Eb知，ND鋼的破膜電位為1 104.55 mV，較304不銹鋼上移了503.11 mV,較20R鋼上移了75.4 mV，說明ND鋼相同條件下耐蝕性更強。這與掃描電鏡觀察出的腐蝕形貌一致。

圖5 20 ℃溫度下5%硫酸中三種鋼的極化曲線

試樣Ecorr/mVIcorr/(μA·cm-2)Ep/mVEb/mVND-498654.20615.471104.50304-35225.27-96.60601.3920R-519960.80386.081029.10

3 結 論

(1)20R鋼鋼隨著溫度和硫酸質量分數的增大，腐蝕速率變化顯著增大。

304不銹鋼在溫度超過60 ℃,硫酸質量分數大于20%，出現了鈍化現象，腐蝕速率變得很緩慢,304不銹鋼在低質量分數的硫酸中腐蝕比較緩慢，當溫度升高到40 ℃以上腐蝕速率增加明顯。硫酸質量分數對ND鋼的影響不大，腐蝕速率增加緩慢，當溫度由20 ℃變到40 ℃時，腐蝕速率增加也很緩慢，隨著溫度的繼續增加，當溫度達到60 ℃時腐蝕速率隨硫酸質量分數增加開始逐漸變大。

(2)當溫度小于60 ℃左右時，腐蝕速率20R>304>ND,ND鋼的耐蝕性明顯高于20R鋼且整體也優于304不銹鋼，因此ND鋼比較適合耐硫酸低溫露點腐蝕。

(3)ND的表面可能形成一層致密富含Cr,Sb和Cu等元素的致密鈍化膜，提高了抗硫酸的腐蝕能力。

(4)ND鋼破膜電位更高為1 104.5 mV，高于304和20R,表明ND鋼抗硫酸腐蝕能力更強。

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(編輯 王維宗)

Study on Low-temperature Dew Point Corrosion of ND Steel

ChangJi1,2,ChenJi1,CuiXiao1

(1.LiaoningShihuaUniversityDepartmentofMechanicalEngineering,Fushun113001,China; 2.TrukingWatertownMedicalEquipmentCo.,Ltd.Changchun130507,China)

steel is the most ideal steel in resisting low-temperature dew point corrosion of sulfuric acid both at home and abroad at present. The corrosions of ND steel, 304 stainless steel, 20R steel in acid medium were studied by soaking weight-loss experiment, and the low-temperature dew point corrosion was simulated. The impacts of sulfuric acid concentration and corrosion temperature on the corrosion rate were discussed. The surface morphology and electrochemical properties of the material were analyzed with the help of SEM and electrochemical workstation. The results show that the corrosion of ND steel is obviously higher than that of 20R steel. At the temperature of 20 ℃ and 40 ℃, the corrosion rates under different sulfuric acid concentrations are 2.22 ～ 9.52 mm/a and 11.41 ～ 13.56 mm/a. The corrosion resistance is better than that of 304 stainless steel, and the mass percentage of sulfuric acid has little impact on corrosion rate. Whereas, ND steel has a much higher membrane-breaking potential of 1 104.5 mV, which makes it stronger in resisting corrosion. Therefore, the ND steel has a good performance in resisting low-temperature dew point corrosion of sulfuric acid.

ND steel, low-temperature dew point corrosion, sulfuric acid, corrosion resistance

2015-10-10；修改稿收到日期：2015-11-15。

常季(1989-)，碩士生，研究方向為化工設備的腐蝕與防護。E-mail:1124300303@ qq.com