一種咪唑烷硫酮衍生物的緩蝕性能

段永鋒,王 寧,趙小燕,于鳳昌(中石化煉化工程集團股份有限公司 洛陽技術研發中心，洛陽 471003)

一種咪唑烷硫酮衍生物的緩蝕性能

段永鋒,王 寧,趙小燕,于鳳昌
(中石化煉化工程集團股份有限公司 洛陽技術研發中心，洛陽 471003)

以硫脲、二乙烯三胺和有機羧酸為原料制備一種咪唑烷硫酮衍生物緩蝕劑(CI-R緩蝕劑)，采用失重法、極化曲線法、掃描電鏡(SEM)觀察等方法，研究了緩蝕劑CI-R在85 ℃、500 μg/g HCl+1% NH4Cl(質量分數,下同)溶液中對碳鋼的緩蝕作用及其吸附模型。結果表明：緩蝕劑CI-R是一種混合型緩蝕劑，對試驗溶液中的碳鋼具有良好的緩蝕作用，加入量為20 μg/g時,緩蝕率可達90.9%；其在碳鋼表面的吸附遵循Langmuir吸附等溫式，通過在碳鋼表面形成一層致密的保護膜，阻礙腐蝕介質與金屬基體的接觸，抑制了金屬的腐蝕。

露點腐蝕；咪唑烷硫酮衍生物；緩蝕性能；吸附

常減壓蒸餾裝置是原油加工的第一道工序，為下游裝置如催化、加氫、焦化等煉油裝置提供加工原料，因此常減壓蒸餾裝置操作平穩情況關系整個煉油廠的正常運行。近年來，隨著原油劣質化的趨勢日趨明顯，我國煉油企業加工高硫、高酸劣質原油的比例越來越大，煉油裝置不斷發生各種各樣的腐蝕問題，尤其是常減壓蒸餾裝置塔頂及冷凝冷卻系統的腐蝕較為突出，成為煉油企業共同面臨的問題[1-3]。針對常減壓裝置塔頂冷凝冷卻系統的腐蝕問題主要以工藝防腐蝕為主，即原油電脫鹽、塔頂冷凝冷卻系統注水、注中和劑、注緩蝕劑的“一脫三注”工藝防腐蝕措施[4]。

常減壓裝置塔頂常用緩蝕劑有水溶性緩蝕劑和油溶性緩蝕劑兩類。根據文獻報道和現場應用分析，水溶性緩蝕劑的緩蝕效果低、用量大、與有機胺復配性差、且因其本身帶水會造成露點前移問題等；油溶性緩蝕劑具有成膜性能好、因溶于油相,可隨塔頂回流進入塔內進而保護塔內壁和內件等優勢。因此,緩蝕率高、成膜性能好、熱穩定性好、毒性低的油溶性緩蝕劑是今后的發展方向[5-6]。本工作通過電化學極化曲線、靜態腐蝕掛片、掃描電鏡和能譜分析方法，研究一種新型咪唑烷硫酮衍生物緩蝕劑(CI-R緩蝕劑)在常減壓裝置塔頂腐蝕環境中的緩蝕性能及其緩蝕機理。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用20號碳鋼，其化學成分為wC0.14%；wSi0.22%；wMn0.43%；wS0.033%；wP0.012%；wNi0.020%；wCr0.021%；wFe99.12%。腐蝕掛片試驗用試片(Ⅰ型試樣)尺寸為30 mm×12 mm×3 mm,將試片表面逐級打磨至光亮后依次經蒸餾水和丙酮沖洗，干燥后稱量待用。電化學試驗用試樣(Ⅱ型試樣)的工作面積為0.78 cm2,試樣工作面用砂紙逐級打磨至光亮鏡面后用蒸餾水沖洗，丙酮去污脫水后，吹干待用。試驗用CI-R緩蝕劑是以硫脲、二乙烯三胺和棕櫚酸為原料制備的一種咪唑烷硫酮衍生物，其合成路線如下[7]。

1.2 試驗溶液

基于常減壓裝置塔頂冷凝冷卻系統的工況，其初凝區(露點部位)的pH很低，形成一個腐蝕性很強的“鹽酸腐蝕環境”[8]，因此試驗用腐蝕溶液為500 μg/g HCl+1%(質量分數，下同)NH4Cl溶液。采用分析純試劑和蒸餾水配制而成。

1.3 緩蝕劑性能評價方法

1.3.1 靜態腐蝕掛片評價

靜態腐蝕掛片試驗參照標準NACE TM 0169-2000《Laboratory Corrosion Testing of Metals》和GB 10124-1988《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，具體評價步驟如下：將處理好的Ⅰ型試樣置于含不同量緩蝕劑的試驗溶液中，試驗溫度為85 ℃，時間為96 h,試驗結束后，用標準洗液清洗試片，再用蒸餾水清洗后快速風干，然后稱量，按照式(3)～(4)計算腐蝕速率和緩蝕率。為保證試驗結果可靠，每組試驗有3個平行試樣。

式中：m0和m1分別為腐蝕前、后試片的質量；S為試樣表面積；t為腐蝕時間。

式中：v0和v1分別添加緩蝕劑前后試樣的腐蝕速率。

1.3.2 電化學試驗

電化學試驗在瑞士萬通PGSTAT100腐蝕電化學工作站上完成，六口圓底燒瓶為電解池，電解池采用三電極系統，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，處理過的Ⅱ型試樣為工作電極。文中電位若無特指，均相對于SCE。極化曲線掃描范圍為-150～150 mV(相對于開路電位)，掃描速率為0.166 mV/s,試驗溫度為85 ℃。按式(5)計算緩蝕率η2。

式中：J0和J1分別是試樣在未添加和添加緩蝕劑的試驗溶液中的自腐蝕電流密度。

1.3.3 表面形貌觀察

靜態腐蝕掛片試驗后，取出Ⅰ型試樣，用蒸餾水沖洗后快速風干，然后采用S-3400N型掃描電鏡(日本HITACHI生產)觀察Ⅰ型試樣的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 緩蝕劑性能評價

由表1可見:CI-R緩蝕劑在試驗溶液中對碳鋼具有良好的緩蝕性能，且CI-R緩蝕劑的緩蝕率隨其加入量的增加而升高。當CI-R緩蝕劑加入量為20 μg/g時，緩蝕率達到90.9%；當CI-R緩蝕劑加入量超過40 μg/g時，繼續增加緩蝕劑的量，其緩蝕率升高的幅度較小；當CI-R緩蝕劑加入量為120 μg/g時，其緩蝕率為96.7%，此時碳鋼的腐蝕速率僅為0.225 mm/a。

由圖1和表2可見:向試驗溶液中加入CI-R緩蝕劑后，試樣的自腐蝕電流密度顯著減小；加入10 μg/g CI-R緩蝕劑,自腐蝕電流密度從7.792 mA/cm2降至0.201 1 mA/cm2，緩蝕率為97.42%;當CI-R緩蝕劑加入量為20 μg/g時，緩蝕率為99.00%;繼續增加緩蝕劑的量,腐蝕電流密度降低幅度較小，緩蝕率升高不明顯。由圖1還可見，CI-R緩蝕劑對陽極和陰極過程都有明顯的阻滯作用，試樣的自腐蝕電位變化不明顯，這表明CI-R緩蝕劑是一種混合型緩蝕劑。

表1 Ⅰ型試樣在含不同量CI-R緩蝕劑的試驗溶液中腐蝕96 h后的試驗結果Tab. 1 Tset results of I-type samples after immmersion in test solution with different content of CI-R inhibitor for 96 h

圖1 Ⅱ型試樣在含不同量CI-R緩蝕劑的試驗溶液中的極化曲線Fig. 1 Polarization curves of Ⅱ-type samples in the test solution with different content of CI-R inhibitor

2.2 緩蝕劑在碳鋼表面的吸附模型

有機化合物型緩蝕劑多為覆蓋型緩蝕劑，緩蝕劑在金屬基體表面的覆蓋率θ可近似等于緩蝕率η，假定緩蝕劑在金屬表面的吸附符合Langmuir吸附等溫式，則緩蝕劑濃度c、覆蓋率θ以及吸附平衡常數K之間有如下關系：

表2 極化曲線擬合結果Tab. 2 Fitting results of polarization curves

即以c/θ對c做圖為直線[9-10]。采用η1對CI-R緩蝕劑的Langmuir吸附等溫式進行擬合,見圖2。由圖2可見，CI-R緩蝕劑在碳鋼表面的吸附遵循Langmuir吸附等溫式。

圖2 緩蝕劑CI-R的Langmuir吸附等溫線(85 ℃)Fig. 2 Langmuir absorption isotherm of CI-R inhibitor

2.3 緩蝕機理分析

由圖3可見:Ⅰ型試樣在未添加緩蝕劑的試驗溶液中浸泡96 h后,表面呈均勻腐蝕，細小顆粒狀的腐蝕產物覆蓋在金屬表面，由于試驗過程沒有除氧，導致試樣表面存在鐵的氧化物或氫氧化物,腐蝕產物呈黑色，結合表1可知,腐蝕速率為6.875 mm/a,腐蝕嚴重。向試驗溶液中分別添加40 μg/g和120μg/g CI-R緩蝕劑后，試樣表面的腐蝕程度顯著減輕，腐蝕速率分別降至0.441 mm/a和0.225 mm/a，試樣表面的腐蝕產物和粗糙度明顯減少，并且緩蝕劑和少量腐蝕產物在金屬表面形成一層致密的保護膜。

(a) 0 (b) 40 μg/g (c) 120 μg/g圖3 Ⅰ型試樣在含不同量CI-R緩蝕劑的試驗溶液中浸泡96 h后的SEM形貌Fig. 3 SEM morphology for I-type samples after immersion in the solution with different content of CI-R inhibitor

CI-R緩蝕劑是一種具有咪唑烷硫酮結構的化合物，其結構簡式如下:

該緩蝕劑分子中活性基團咪唑烷硫酮含有2個N原子和1個S原子，以N和S原子為中心的極性基通過提供孤對電子與金屬原子配位形成牢固的化學吸附；另一方面，緩蝕劑分子中非極性基團CH3C14H24-在金屬表面形成一層疏水性保護膜，阻礙腐蝕介質與金屬離子的接觸，從而使金屬腐蝕速率顯著降低[11-13]。

3 結論

(1) 在85 ℃、500 μg/g HCl+1% NH4Cl溶液中，CI-R緩蝕劑對碳鋼具有良好的緩蝕性能；其加入量為20 μg/g時,緩蝕率為90.9%，當CI-R緩蝕劑加入量超過40 μg/g時，緩蝕率上升的幅度較小。

(2) CI-R緩蝕劑是一種混合型緩蝕劑，在碳鋼表面的吸附遵循Langmuir吸附等溫式。

(3) CI-R緩蝕劑是一種具有咪唑烷硫酮結構的化合物，含有2個N原子和1個S原子的咪唑烷硫酮活性基團，以及CH3C14H24-非極性基團能在碳鋼表面形成一層致密的保護膜，阻礙腐蝕介質與金屬基體的接觸，抑制了金屬的腐蝕。

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Inhibition Performance of an Imidazolidinethion Derivative Inhibitor

DUAN Yongfeng, WANG Ning, ZHAO Xiaoyan, YU Fengchang
(Luoyang R&D Center of Technology Sinopec Engineering Co., Ltd., Luoyang 471003, China)

A kind of imidazolidinethion inhibitor (CI-R inhibitor) was synthetised with diethylenetriamine, thiourea and lauric acid as raw materials. Weight loss method, potentiodynamic polarization measurement and scanning electron microscopy (SEM) were used to investigate the inhibition performance of the CI-R inhibitor for carbon steel in 500 μg/g HCl + 1% NH4Cl solution at 85 ℃. The results showed that the inhibitor CI-R, acting as a mixed-type inhibitor, could inhibit the corrosion of carbon steel in test solution significantly. The inhibition efficiency was up to 90.9% at the concentration of 20 μg/g. Its adsorption on the metal surface obeys Langmuir adsorption isotherm. The inhibitor forms a product film on the metal surface by adsorption, resulting in high protection performance for carbon steel.

dew-point corrosion; imidazolidinethion derivative; inhibition performance; adsorption

2015-12-10

中石化科研項目(313070)

段永鋒(1979-)，高級工程師，碩士，主要從事石化設備腐蝕與防護方面的工作,0379-64330748，duanyf.lpec@sinopec.com

10.11973/fsyfh-201707008

TG174.4

A

1005-748X(2017)07-0522-04