交流電磁場對幾種金屬腐蝕行為的影響

,,

(1. 廣東省石油化工裝備工程技術研究中心,茂名 525000; 2. 廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室,茂名 525000;3. 東北電力大學，吉林 132012)

在循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，因換熱設備的金屬材質(zhì)、水質(zhì)參數(shù)以及金屬各部件運行時所遇到的物理、化學條件等不同，金屬將發(fā)生各種形態(tài)的腐蝕，這些腐蝕將極大地影響工業(yè)設備運行的安全性與經(jīng)濟型。為了減少循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的金屬腐蝕，一般采取離子交換法、化學投藥法、化學清洗法等進行處理[1-2]，但是這些方法不僅耗費較大、對水體的污染嚴重，且處理不當會加速金屬腐蝕。因此綠色環(huán)保的物理方法以其無毒害、無污染等優(yōu)點成為了腐蝕防護領域的研究熱點。

磁場處理是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應用中備受關注的一種新型物理處理技術，主要針對磁場、電磁場的抑垢和抑微生物生長等方面進行應用研究[3-8]。近來，GHABASHY等[9-11]研究了磁場強度對金屬腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)磁場強度高、低對金屬腐蝕有一定影響，但未表明影響程度。王建國等[12]采用電磁場進行水處理試驗，證明了磁處理可影響水質(zhì)參數(shù)和金屬腐蝕速率。BOTELLO-ZUBIATE等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)，磁性水處理增加了碳鋼或不銹鋼表面的腐蝕作用。這些研究表明磁處理對金屬腐蝕有一定影響，但磁場對不同金屬的腐蝕是促進還是減緩并未定論。為此，本工作以循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中不同金屬(不銹鋼、黃銅、碳鋼)為對象進行動態(tài)模擬試驗，并對試驗單元內(nèi)整個金屬腐蝕體系進行電磁場處理，旨在探究電磁場對各種金屬腐蝕的影響，以期為用戶選擇有效、合理的防腐蝕對策提供理論參考。

1　試驗

1.1　試樣及裝置

試驗材料有304不銹鋼、68黃銅、16Mn碳鋼，將這3種金屬制成圓柱形金屬電極，尺寸為φ4.76 mm×31.75 mm，為確保檢測結(jié)果的精確性，控制電極的表面積為5 cm2。

循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬裝置見圖1，其中，電磁處理裝置示意見圖2。電磁處理裝置由電磁處理單元和勵磁源2部分組成，其中電磁處理單元內(nèi)部直徑為12 cm，高為15 cm，線圈匝數(shù)為1 000；勵磁源則由交流調(diào)壓器外接負載電路構成，通過調(diào)節(jié)勵磁源來控制線圈中勵磁電流的大小，并使處理單元內(nèi)部產(chǎn)生不同磁通量的電磁場。循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬裝置采用雙回路碳鋼換熱管，將兩回路置于同一恒溫水浴槽內(nèi)，各回路試驗獨立、互不連通，其中一試驗回路單元內(nèi)進行電磁處理，裝有電磁處理裝置和金屬電極，另一回路試驗單元則作為空白對比研究，只安裝金屬電極。試驗水由進水泵輸送到各回路的下位水箱，經(jīng)循環(huán)水泵送入上位水箱，由上位水箱恒速流入恒溫水浴槽內(nèi)的換熱管及腐蝕電極，進入下位水箱，形成各測量回路的循環(huán)。上位水箱裝有溢流管，以確保換熱管入口水壓和換熱管流速恒定。換熱管入口水溫由各自的恒溫水浴控制系統(tǒng)和空冷控制系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)，恒溫水浴系統(tǒng)配有自動控溫的電加熱器，空冷系統(tǒng)配有閉環(huán)控制的獨立回路，以確保換熱管入口和水浴溫度恒定于指定溫度±0.15 ℃內(nèi)。

圖1　循環(huán)冷卻水模擬系統(tǒng)示意圖Fig. 1　Schematic diagram of circulating cooling water simulation system

圖2　電磁處理裝置示意圖Fig. 2　Schematic diagram of electromagnetic treatment device

1.2　試驗方法

1.2.1 靜態(tài)腐蝕試驗

靜態(tài)試驗在循環(huán)冷卻水模擬系統(tǒng)中進行，將磨口錐形瓶放入恒溫水浴鍋中，向磨口錐形瓶中倒入試驗溶液(吉林地區(qū)生活飲用水)，將碳鋼電極置于充滿試驗溶液的磨口錐形瓶中。恒溫水浴鍋加熱溫度為30 ℃，待溫度穩(wěn)定后開始試驗，試驗時間為600 min，電磁采用的電磁場強度及頻率分別為50 Gs和50 Hz,考察交流磁場對碳鋼腐蝕行為的影響。為進一步優(yōu)化電磁場參數(shù)，提高其防護作用，設定電磁場強度為50 Gs，改變頻率(5 Hz、10 Hz、20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、5 kHz、10 kHz)考察激勵頻率對碳鋼腐蝕行為的影響及其有效性。通過9030 PLUS腐蝕速率測量儀對碳鋼電極腐蝕速率變化特性進行監(jiān)測，試驗中每隔30 min記錄一次試驗數(shù)據(jù)。試驗采用3個平行試樣。

1.2.2 動態(tài)腐蝕試驗

動態(tài)試驗在循環(huán)冷卻水模擬系統(tǒng)中進行。試驗溶液為吉林地區(qū)生活飲用水，恒溫水浴加熱溫度為55 ℃，冷卻水流速為1.2 m/s，入口溫度為(30±0.15) ℃，電磁場強度為50 Gs，頻率為50 Hz。試驗前，借助Ansoft Maxwell V 12.1軟件計算勵磁電流，并優(yōu)化了磁處理電極的最佳位置，同時配合使用高斯計檢驗，并適當修正勵磁電流，以確保電磁場強度的精確性。試驗中將活化的3種金屬電極同時置于各試驗體系中，且使電極與內(nèi)部介質(zhì)流動方向垂直并充分接觸，待試驗體系穩(wěn)定后，利用腐蝕速率儀在線檢測各金屬電極的腐蝕速率和點蝕傾向。試驗周期為14 d,每次試驗有2組平行試樣,進行3次重復試驗。分析3種金屬電極在電磁場作用下的腐蝕行為。

2　結(jié)果與討論

2.1　靜態(tài)腐蝕試驗

2.1.1 電磁處理的有效性

由圖3可見：有無磁場條件下，碳鋼試樣的腐蝕速率曲線基本一致。但碳鋼試樣在有磁場條件下的腐蝕速率下降趨勢高于無磁場條件下的；且當試驗時間超過350 min后，下降趨勢更為明顯。為進一步說明磁場對碳鋼腐蝕行為的影響，利用積分法將測得的瞬時腐蝕速率轉(zhuǎn)換成平均腐蝕速率，以計算緩蝕率。參照文獻[10]，計算得出電磁場對碳鋼的緩蝕率接近10%。由此說明電磁場對碳鋼腐蝕具有抑制作用，這也進一步為磁處理在金屬防護方面的研究提供了有效性依據(jù)。

圖3　有無交流磁場條件下，碳鋼試樣的靜態(tài)腐蝕試驗結(jié)果(50 Gs，50 Hz)Fig. 3Static corrosion test results of carbon steel samples without and with AC magnetic field (50 Gs，50 Hz)

2.1.2 電磁場頻率對腐蝕的影響

由圖4可見：在試驗初期，碳鋼表面未生成保護膜，碳鋼的腐蝕速率為整個試驗過程的最大值，隨著腐蝕時間的延長，碳鋼電極開始鈍化。從電極腐蝕開始到鈍化的過程中，隨著電磁場頻率的改變,腐蝕速率也發(fā)生不同程度的變化，但規(guī)律性并不明顯。為此，利用積分法將不同頻率下碳鋼的腐蝕速率轉(zhuǎn)換為平均腐蝕速率，與未加電磁場空白試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：在20 Hz、100 Hz和10 kHz頻率影響下,碳鋼的平均腐蝕速率增大，而在其他頻率作用下,碳鋼的平均腐蝕速率均減小。頻率優(yōu)化評定結(jié)果為：50 Hz>5 kHz>1 kHz>10 Hz。由此說明電磁場頻率的大小與緩蝕性能有一定關聯(lián)，在50 Hz條件下碳鋼的平均腐蝕速率最小，緩蝕效果最好，因此，選定50 Hz作為動態(tài)試驗電磁處理的激勵頻率。

(a)　低頻段

(b)　中、高頻段圖4　50 Gs，不同頻率下，碳鋼試樣的腐蝕速率Fig. 4　Corrosion rates of carbon steel samples at 50 Gs and different frequencies: (a) low frequency stage; (b) middle and high frequency stage

2.2　動態(tài)腐蝕試驗

2.2.1 電磁場對腐蝕速率的影響

由圖5及表1可見：無磁場條件下，不銹鋼和黃銅試樣從開始腐蝕到鈍化,整個過程的腐蝕速率均不超過0.25 mm/a，變化范圍極小，尤其是不銹鋼,基本未發(fā)生腐蝕，因此，不銹鋼和黃銅均為耐蝕性較好的金屬；而經(jīng)電磁處理后,不銹鋼和黃銅的腐蝕速率均開始增大，不銹鋼的變化尤為明顯，其平均腐蝕速率增大約2.8倍，且不銹鋼和黃銅的緩蝕率分別為-178.57%和-1.07%，均為負值。由此說明：電磁場的作用使得不銹鋼和黃銅表面的腐蝕速率增大，耐蝕性降低，并減緩了金屬表面的鈍化。

由圖5及表1還可見：試驗初期碳鋼試樣與流動介質(zhì)相互作用致使腐蝕速率增加，經(jīng)過約150 h,試樣表面腐蝕情況基本穩(wěn)定，腐蝕速率逐漸趨于平緩下降；150 h之后，電磁場處理試樣較未處理試樣的腐蝕速率明顯減小，且碳鋼試樣平均腐蝕速率下降了2.44 mm/a，緩蝕率達到16.29%。這是因為碳鋼為磁性材料，當處于電磁場中時鐵原子會繞著自己的磁軸運動，一旦碳鋼試樣在介質(zhì)中溶解，電磁場的作用會使磁矩較小的Fe2+更易附著在金屬表面形成保護膜，減緩了碳鋼試樣的腐蝕速率，從而起到防腐蝕的作用。

(a)　不銹鋼

(b)　黃銅

(c)　碳鋼圖5　3種試樣的動態(tài)腐蝕試驗結(jié)果Fig. 5　Dynamic corrosion test results of 3 samples:(a) stainless steel; (b) brass; (c) carbon steel

試樣平均腐蝕速率/(mm·a-1)空白磁場條件下緩蝕率/%不銹鋼0.0140.039-178.571黃銅0.0930.094-1.075碳鋼14.97612.53616.292

圖6中左側(cè)為試驗前試樣，右側(cè)為試驗后試樣，其中a1、b1、c1為空白試樣(未加電磁場)，a2、b2、c2為電磁場處理試樣。由圖6可見：不銹鋼經(jīng)電磁處理后的耐蝕性下降，試樣表面開始溶解，并在部分區(qū)域出現(xiàn)明顯的點蝕坑；黃銅試樣表面氧化膜在空白試驗中為黑色，經(jīng)電磁處理后伴有藍綠色產(chǎn)物出現(xiàn)；而碳鋼試樣c2比c1附著的腐蝕垢多且包裹緊密，起到抑制了表面腐蝕的作用。這與圖5中腐蝕速率測量曲線的分析結(jié)果一致。

圖6　有無磁場試樣腐蝕前后的宏觀形貌Fig. 6　Macro-morphology of samples without and with electromagnetic field before and after corrosion

2.2.2 電磁場對金屬點蝕的影響

由于腐蝕速率不能表示點蝕的生長情況，為分析電磁場對金屬點蝕的影響，本工作利用9030 PLUS腐蝕測量儀的點蝕分析功能，分析了各金屬材料的點蝕傾向。具體分析方法為：設定金屬點蝕傾向與腐蝕速率比值為k，當k值小于1時，點蝕傾向小于或接近腐蝕速率；如果k趨近于零，金屬產(chǎn)生輕微點蝕；當k值大于1時，點蝕傾向大于腐蝕速率且不穩(wěn)定，金屬點蝕傾向較大；如果k值大于10或很不穩(wěn)定，這說明金屬產(chǎn)生了嚴重點蝕。

表2　試驗中k的變化范圍Tab. 2　The change range of k during the test

由表2和圖5可見:空白試驗中，三種金屬電極的k值范圍均小于或接近1，此時點蝕傾向讀數(shù)低于腐蝕速率讀數(shù)，說明點蝕傾向很小甚至可以忽略。經(jīng)電磁場處理后，碳鋼k值變化不明顯，這是由于受磁矩的影響，碳鋼的點蝕傾向隨著腐蝕速率的降低而減小；而不銹鋼和黃銅經(jīng)電磁作用后k值均大于1且波動范圍較大，說明不銹鋼和黃銅的點蝕傾向讀數(shù)高于腐蝕速率讀數(shù)，此時金屬表面可能出現(xiàn)大面積的麻點，但還未向縱深方向進行，如果繼續(xù)發(fā)展，點蝕將成為腐蝕的主要形式，其主要原因是由于電磁場與介質(zhì)發(fā)生作用改變了金屬表面的活性，降低了介質(zhì)傳質(zhì)過程的活化能，加快了溶液中誘發(fā)不銹鋼和黃銅點蝕離子的擴散速率，從而使這兩種金屬的點蝕傾向增加。

3　結(jié)論

(1) 交流電磁場處理對碳鋼腐蝕有一定影響，碳鋼因材料性質(zhì)會在電磁場作用下使鐵磁性離子受磁矩作用而更容易吸附在金屬表面，從而阻礙與介質(zhì)溶液的相互作用，使得腐蝕速率及點蝕跡象均得到緩解，即電磁場對碳鋼材料具有抑制腐蝕的作用。

(2) 電磁場對不銹鋼和黃銅的腐蝕體系起到了強化傳質(zhì)的作用，使金屬表面的溶解速率加快，誘發(fā)點蝕的帶電離子遷移更容易進行，致使不銹鋼、黃銅的腐蝕速率加快,點蝕傾向增大，從而降低這兩種金屬在溶液中的耐蝕性。

參考文獻：

[1]周本省． 工業(yè)冷卻水系統(tǒng)中金屬的腐蝕與防護[M]． 北京：化學工業(yè)出版社，1992：27-28

[2]張秀麗，安洪光，謝生源,等． 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中腐蝕在線監(jiān)測裝置的開發(fā)與應用[J]． 中國電力，2003，36(3):24-26.

[3]邵林廣，張華． 磁化水處理器在武鋼循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的應用[J]． 武漢大學學報，2007，30(2)：161-163.

[4]ZHANG W,LI G Q,ZHANG Z J,et al. Fouling model of internal helical-rib tubes based on Prandtle analogy[J]. Proceedings of the CSEE,2008,28(35):66-70.

[5]LI H H,LIU Z F,GUO Y H,et al. Influence of the electrostatic water treatment on the crystallization behavior of CaCO3and the synergistic scale inhibition performance with the green scale inhibition[J]. CIESC

Journal,2013,64(5):1736-1742.

[6]XIONG L,MIAO X F,WU Y M,et al. Anti-scaling effect comparison of high-frequency electromagnetic pulses stimulation in processing chambers with different chambers with different electrodes[J]. CIESC Journal,2012,63(10):3221-3224.

[7]張雪峰，牛永紅． 磁處理工業(yè)水技術應用研究進展[J]． 化工進展，2011，33(增刊)：831-833.

[8]郗麗娟，孫浩儒，胡楊,等． 變頻磁場對工業(yè)循環(huán)冷卻水的殺菌性能研究[J]. 工業(yè)水處理，2009，29(11):58-60.

[9]GHABASHY M A. Effect of magnetic field on rate of steel corrosion in aqueous solution[J]. Anti-Corrosion,1988,35:12.

[10]BUSCH K W,BUXDH M A,PARKER D H. Studies of a water treatment device that uses magnetic fields[J]. Corrosion,1986,42(4):211-221.

[11]BIKUL′CHYUS G,RUCHINSKENE A,DENINIS V. Corrosion behavior of low-carbon steel in tap water treated with permanent magnetic field[J]. Protection of Metals,2003,39(5):443-447.

[12]王建國,何芳,狄昊. 電磁抑垢實驗中磁場作用于電導率及pH的關聯(lián)分析[J]. 化工學報,2012,63(5):1468-1473.

[13]BOTELLO-ZUBIATE M E,ALVAREZ A,MARTNEZ-VILLAFAE A,et al. Influence of magnetic water treatment on the calcium carbonate phase formation and the electrochemical corrosion behavior of carbon steel[J]. Alloys and Compounds,2004,369(28):256-259.

[14]戴向東，程林. 緩蝕率計算公式的探討[J]. 江漢石油學院學報，1998,20(1):67-70.