Q245R/316L與Q345R/316L電偶對在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕

任 科，巨熔冰

（西安石油大學機械工程學院，陜西西安710065）

化學工程

Q245R/316L與Q345R/316L電偶對在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕

任 科，巨熔冰

（西安石油大學機械工程學院，陜西西安710065）

針對石油化工行業異種金屬聯合使用產生的電偶腐蝕情況，采用電化學方法，研究了Q245R/316L和Q345R/316L電偶對在3.5%NaCl溶液中的電化學行為。結果表明：316L不銹鋼自腐蝕電位遠高于Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼的自腐蝕電位，偶接后會發生電偶腐蝕，且Q345R/316L電偶對發生電偶腐蝕傾向略大于Q245R/316L；316L不銹鋼易鈍化，而Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼則比較活潑；316L不銹鋼受鈍化產生的鈍化膜的影響，開路電位下測得的自腐蝕電位值一般比采用動電位極化測量的值大；Q345R/316L電偶對發生電偶腐蝕比Q245R/316L電偶對嚴重；電偶腐蝕效應的大小是：Q345R/316L＞Q245R/316L。

Q245R；Q345R；316L不銹鋼；電偶腐蝕

隨著社會經濟的發展，工業生產對材料的要求越來越高，應用材料的種類也越來越廣泛，各種材料聯合使用已經成為一種新趨勢。在石油化工行業中，碳鋼、低合金鋼和不銹鋼的聯合使用也變得相當普遍。對于多種金屬聯合使用的構件，如果工況條件為腐蝕電解質溶液環境，那就滿足了發生電偶腐蝕的三要素，必然會導致電偶腐蝕的發生。由于電偶腐蝕的作用，導致高電位材料的腐蝕被抑制，低電位材料的腐蝕被加速[1]。另外，電偶腐蝕可誘導甚至加速應力腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、氫脆等其他腐蝕行為的發生。因此，研究碳鋼、低合金鋼和不銹鋼之間的電偶腐蝕，對于石油化工行業的安全運行具有重要的意義。

本文以Q245R碳鋼、Q345R低合金鋼和316L不銹鋼為研究對象，采用開路電位，動電位極化，電偶電位和電偶電流測量等電化學方法研究了Q245R/316L和Q345R/316L電偶對在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕行為。以期為石油化工行業的生產設備在實際應用中材料的優化選擇和防腐方案的制定提供依據。

1 試驗

1.1 試驗準備

試樣采用Q245R碳鋼、Q345R低合金鋼與316L不銹鋼，其化學成分（見表1）。將3種試樣分別切割制作成底面積為1 cm2的圓柱。將導線焊接在圓柱一個底面上，試樣與導線連接后，用環氧樹脂涂封，試樣表面逐級打磨至800#砂紙，用蒸餾水進行沖洗，再用無水乙醇和丙酮脫脂，放入干燥器內干燥備用。為避免材料在空氣中形成氧化膜對電偶腐蝕產生影響[2]，電化學試驗均在試樣密封1 h內進行。

試驗介質為3.5%NaCl溶液，pH值為7，40℃。稱取35 g的NaCl、965 g的蒸餾水，混合攪拌，用量筒量取500mL溶液。

1.2 試驗方法

自腐蝕電位和動電位極化測量選用CS300電化學工作站進行，采用三電極體系，3種試樣分別為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑網為輔助電極。將工作電極Q245R和不銹鋼試樣分別置于試驗介質中，監測開路電位隨時間的變化。采用動電位法測量極化曲線，極化范圍設定在-100mV～+180 mV（相對開路電位），掃描速率為0.4 mV/s。

表1 各種材料的化學成分（質量分數，%）

電偶腐蝕采用CS300電化學工作站來進行測量。將制備好的3種試樣用導線連接起來，再用環氧樹脂進行密封并預留工作面積，Q245R/316L和Q345R/316L電偶對的陰陽極面積比均為1：1。將制成的電偶對陰陽極的工作面完全浸泡在500mL 3.5%NaCl溶液中，連續測量電偶混合電位和電偶電流密度隨時間的變化關系，研究不同材質對電偶效應的影響規律。

2 試驗結果與分析

2.1 自腐蝕電位

試驗連續監測了Q245R碳鋼、Q345R合金鋼和316L不銹鋼在3.5%NaCl溶液中的自腐蝕電位（見圖1）。

從圖1中可以看出，316L不銹鋼的自腐蝕電位整體變化不大，Q245R和Q345R自腐蝕電位明顯發生負移，變化幅度較大。這說明316L在3.5%NaCl中比較穩定，具有一定的自鈍化能力，Q245R和Q345R在3.5%NaCl中比較活潑，處于活化狀態。316L不銹鋼的自腐蝕電位遠大于Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼，電位差ΔE分別為396.5 mV和414.7 mV，遠大于發生電偶腐蝕的閾值電位差50 mV[3]，因此，Q245R碳鋼、Q345R低合金鋼與316L不銹鋼偶接均會發生電偶腐蝕。偶接后，在Q245R/316L和Q345R/316L電偶對中，低電位的Q245R和Q345R作為陽極加速腐蝕，高電位的316L作為陰極受到保護使腐蝕減緩。兩種電極材料電位差越大，電偶腐蝕的傾向就越大[4]，所以形成的電偶對的腐蝕傾向為：Q345R/316L＞Q245R/316L，即Q345R/316L電偶對更易發生電偶腐蝕。

圖1 自腐蝕電位

2.2 極化曲線測量

分別對Q245R碳鋼、Q345R合金鋼和316L不銹鋼進行動電位掃描，得到各自的極化曲線（見圖2）。

圖2 極化曲線

由圖2知，316L不銹鋼有著極大的陽極極化率，因此表現出不銹鋼強的極化能力，呈陽極極化控制。相對，Q245R和Q345R的陽極極化率則較小，但在較小的陽極極化電流下就可以引起電位的明顯變化，因此呈陽極活化極化控制。同時，圖1中的316L不銹鋼的自腐蝕電位低于圖2中的自腐蝕電位。這是因為圖1中的電位測量是采用開路電位測量得到的，不銹鋼表面產生良好的鈍化膜[5]，鈍化后電位向正向偏移；而極化曲線的測量是陰極到陽極的極化過程，電位在較低區間呈還原反應活化極化控制，鈍化膜被清除，從而導致自腐蝕電位降低。

2.3 電偶腐蝕測量

偶接后，電偶腐蝕測量電偶對的混合電位和電偶電流密度（見圖3、圖4）。

圖3 電偶對的混合電位

圖4 電偶對的電偶電流密度

由圖3可知，Q245R/316L和Q345R/316L電偶對的混合電位整體均向負向偏移，且Q245R/316L電偶對偏移的幅度明顯大于Q345R/316L電偶對。試驗中，Q245R/316L電偶對的平均混合電位值為-0.568 V大于Q345R/316L電偶對的平均值-0.656 V。在160 s左右，Q245R/316L電偶對的混合電位發生異常，有向正向偏移的趨勢，這是因為Q245R作為陽極受到陽極極化，導致混合電位向正向偏移，但很快相應陰極316L也受到陰極極化的影響而活化，使得電偶對混合電位又逐漸負移。

由圖4可知，Q345R/316L電偶對的平均電流密度大于Q245R/316L電偶對的平均電流密度。Q345R/316L電偶對因受陰、陽極不同極化的控制，出現多次波動。Q245R/316L電偶對偶接后電流密度開始向正向偏移，在160s左右，由于受電偶對陰極316L極化控制，電偶電流密度出現反轉逐漸負移。根據電偶電流密度的大小可以得出Q345R/316L比Q245R/316L發生電偶腐蝕更嚴重。

2.4 電偶腐蝕效應的計算

在電偶腐蝕試驗中，通常采用電偶腐蝕效應γ表征偶合對材料電偶腐蝕行為的影響。根據文獻[6，7]，電偶對的陽極上僅發生金屬的溶解反應時，陽極金屬的電偶腐蝕效應可通過下式計算：

根據文獻[8]上式中的ig采用試驗周期內測量的平均電偶電流密度的值帶入進行計算。計算公式如下：

根據式（1）、式（2）計算偶接后的電偶腐蝕效應γ，icorr為偶接前的自腐蝕電流結果（見表2）。

表2 根據電化學測量計算得到的Q245的電偶腐蝕效應

分析表2可以發現，Q245R/316L電偶對γ值小于1，這說明Q245R碳鋼與316L不銹鋼偶合后的電偶電流甚至小于偶合前的自腐蝕電流。因此式（1）計算的電偶腐蝕效應是不準確的。實際上在偶合后陽極金屬極化很小時（即對于電偶對中陽極Eg≈Ecorr時），存在Ig≈因此，式（1）應修正為：

修正結果添加到表2。電偶腐蝕效應為Q345R/316L＞Q245R/316L。

3 結論

（1）316L不銹鋼自腐蝕電位遠高于Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼的自腐蝕電位，有很大的驅動電位差，偶接后會發生電偶腐蝕，且Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼作為陽極，腐蝕加劇，316L不銹鋼則作為陰極被保護，腐蝕減緩。Q345R/316L電偶對發生電偶腐蝕傾向略大于Q245R/316L電偶對。

（2）316L不銹鋼具有強的極化能力容易鈍化，受鈍化產生的鈍化膜的影響，開路電位下測得的自腐蝕電位值一般比采用動電位極化測量的值大；而Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼由于極化能力小，表現比較活潑。

（3）電偶腐蝕測量表明，Q345R/316L電偶對發生電偶腐蝕比Q245R/316L電偶對嚴重，表明Q245R/316L選材搭配相對合理，應優先考慮。

（4）根據電偶腐蝕效應的計算，電偶腐蝕效應的大小是：Q345R/316L＞Q245R/316L。

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Galvanic corrosion of Q245R/316L and Q345R/316L galvanic couples in 3.5%NaCl solution

REN Ke，JU Rongbing
（College of Mechanical Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

The electrochemical behavior of Q245R/316L and Q345R/316L galvanic pairs in 3.5%NaCl solution was studied by electrochemical method for galvanic corrosion caused by the combined use of dissimilar metals in petrochemical industry.The results show that the corrosion potential of 316L stainless steel is much higher than that of Q245R carbon steel and Q345R low alloy steel.Even after coupling,galvanic corrosion occurs,and the Q345R/316L galvanic pair tends to be slightly larger than Q245R/316L.316L stainless steel easy passivation,and Q245R carbon steel and Q345R low alloy steel is more lively.316L stainlesssteel passivation caused by the passivation film,open circuit potential measured corrosion potential value is generally higher than the use of potential polarization Q345R/316L＞Q245R/316L.The galvanic corrosion effect is Q345R/316L＞Q245R/316L.

Q245R；Q345R；316L stainless steel；galvanic corrosion

TG174

A

1673-5285（2017）09-0101-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.025

2017－08-02

任科，男（1990-），碩士研究生，從事化工過程機械相關工作，郵箱：349944920@qq.com。