20#钢在氢气压缩系统冷凝水溶液中的腐蚀行为研究

黄祥凯 林剑伟 黄小龙 黄云云 刘康林

(1．福州大学石油化工学院；2.福建石化集团湄洲湾氯碱工业有限公司)

某氯碱厂BDO系统采用S6D20型氢气增压压缩机系统，系统运行过程中，材料为20#钢的排油水管道和换热器列管均存在腐蚀穿孔的问题，并且随着压缩机级数的增加，腐蚀程度愈发严重，致使压缩系统频繁停机，严重影响装置系统的正常生产。压缩介质经过冷却分离器后会有冷凝液产生，初步估计产生的冷凝液会对20#钢管产生腐蚀，为了探究20#钢在冷凝液中的腐蚀行为，笔者提取了压缩系统1～3级冷凝液，进行20#钢电化学腐蚀实验。

1 腐蚀模拟实验

1.1实验材料和仪器

试件材料为20#钢，成分见表1。试片规格为10mm×10mm×4mm。经线切割的试样用超声波清洗仪清洗，烘干后将长度为15cm的铜线两端去除绝缘皮，一端1cm，另一端2～3mm，将短边用锤子砸扁后焊接在试件工作表面的背面。焊接完成后将试样置于PVC圆环中用环氧树脂封装，预留工作面积10mm×10mm。

表1 20#钢化学成分 wt%

腐蚀介质为某厂氢气压缩机中间冷却器中的冷凝液。腐蚀测试采用 CR-6腐蚀速率测量系统，辅助电极采用铂电极，参比电极采用232型饱和甘汞电极，给定极化电位为-10～10mV。恒电位控制精度为±0.15mV，电化学实验时间为50个周期。

1.2实验设计方法

试件机加工后先用200#～600#水砂纸逐级打磨，接着用3 000#水砂纸打磨，再用抛光机抛光，经无水乙醇清洗烘干后备用。将盐桥擦拭干净，饱和甘汞电极和铂金辅助电极先用去离子水清洗，再用无水乙醇清洗干净。本次实验每一级腐蚀液均进行3次平行实验，极化电阻、腐蚀电流密度、失重和腐蚀速率取3次实验结果的平均值，每一次实验完成后用无水乙醇清洗试件表面，烘干后在光学显微镜下观察，查看试样表面实验后的变化。

2 实验结果讨论

2.1腐蚀形貌观察

试样在3级腐蚀液中的电化学实验完成后，取出试样用无水乙醇清洗处理干净，试样的宏观腐蚀形貌如图1所示。可以看出，腐蚀反应完成后试样表面覆盖了一层氧化膜，并且有腐蚀坑产生。

图1 试样宏观腐蚀形貌

腐蚀坑的产生主要是由于腐蚀微电池的形成所致[1～3]。20#钢属于优质碳素钢，一般都含有硫化物及碳化物等夹杂物，而夹杂物的电位要比周围碳钢基体的电位更高些，且析氢电位在夹杂物上更低，因此在钢中形成了腐蚀微电池。反应发生后，20#钢基体作为腐蚀微电池的微阳极优先溶解，随后夹杂物脱落下来形成腐蚀坑。在光学显微镜下观察到试样反应前、后的微观腐蚀形貌如图2～5所示。

图2 试样腐蚀前微观形貌

图3 1级冷凝水腐蚀后微观形貌

图4 2级冷凝水腐蚀后微观形貌

图5 3级冷凝水腐蚀后微观形貌

从微观腐蚀形貌可以看出，随着压缩级数的增加，压缩介质冷却后产生的冷凝水对20#钢试样的腐蚀程度逐渐加深：1级冷凝水对试样的腐蚀主要表现为产生少量腐蚀坑；2级冷凝水使试样腐蚀坑加深、加多；3级冷凝水使腐蚀的程度更深。为了探究压缩系统冷凝液的腐蚀机理，通过玻璃电极法和硝酸银滴定法测得各级腐蚀液均呈酸性，并且随着级数增加Cl-浓度逐渐加大。已有的研究成果表明，酸性腐蚀液中存在Cl-会促进碳钢反应面蚀孔腐蚀，并且腐蚀速率随着Cl-浓度增大而增大[4～7]。产生上述结果主要是因为在蚀孔产生后，蚀孔内金属发生溶解，生成Fe2+，随着Fe2+不断增加，为了保持电中性，溶液中的Cl-向孔内移动，孔内Cl-浓度升高，在酸性溶液中Cl-腐蚀浓度临界值下降，Cl-在酸性条件下会被有效激活，腐蚀孔处于活性溶解状态，促进了腐蚀破坏的发展，随着Cl-增多，腐蚀程度逐渐加深。

2.2实验数据对比

2.2.1基本实验数据

实验测试的参数主要有极化电阻、腐蚀电流密度、失重和腐蚀速率，实验数据分别见表2～4。

表2 1级冷凝水腐蚀实验数据

表3 2级冷凝水腐蚀实验数据

表4 3级冷凝水腐蚀实验数据

每级极化电阻、腐蚀电流密度、失重和腐蚀速率的数据取3次反应平均值，进行对比可以看出，极化电阻随着级数增加逐渐变小，腐蚀电流密度、失重和腐蚀速率随着级数增加逐渐变大，这与光学显微镜观察后得出的结果吻合。

2.2.2极化曲线

通过CR-6腐蚀速率测量系统，可以得到极化电流-时间变化趋势图，极化电流曲线如图6～8所示。

图6 1级极化电流曲线

图7 2级极化电流曲线

图8 3级极化电流曲线

可以看出，1级阳极和阴极极化电流在反应过程中较稳定，没有太大变化；2、3级阳极极化电流在反应过程中均产生波动，阴极极化电流均比较稳定，反应周期末尾，2、3级阳极极化电流也趋于稳定。数据变化曲线趋于平缓，说明腐蚀反应逐渐减弱，原因是随着腐蚀产物增多，增厚了金属基体和腐蚀液之间的阻碍层，影响了氧及腐蚀液中阴离子传递，使反应减缓。而1～3级腐蚀液阳极极化电流反应过程中的波动逐渐加大，主要是因为随着压缩级数增加，溶液Cl-浓度加大，在多种因素共同作用下腐蚀速率逐渐加大的结果。

3 腐蚀机理探讨

20#钢在腐蚀液中表现为活性溶解腐蚀的特征，阳极反应为：

Fe→Fe2++2e-，Fe2+→Fe3++e-

在腐蚀液中，阴极过程氧被还原，在阴极区域形成OH-离子，阴极过程是控制腐蚀的主要过程，主要受氧扩散控制，电极反应为：

O2+2H2O+4e-→4OH-

随着反应进行，可以在试样表面观察到氢气泡产生，此时阴极极化电流迅速增大，电极反应为：

2H++2e-→H2↑

随着压缩级数增加，Cl-浓度升高，阳极极化电流也随之升高，这表明Cl-浓度对腐蚀速率产生了影响，浓度越大，反应速率越大[8，9]。

4 结束语

压缩系统氢气冷却后产生的酸性含Cl-冷凝液会对20#钢产生腐蚀，反应后试件表面产生氧化膜和腐蚀坑。随着1～3级Cl-浓度的递增，腐蚀电流密度、失重和腐蚀速率随着级数增加逐渐增大，极化电阻随着级数增加逐渐变小，说明钢的腐蚀程度也从1～3级逐渐加深。为减少腐蚀及其危害，一方面应及时将压缩机中间冷却器中的积水清除掉；另一方面应尽可能脱除氢气中的水分及Cl-，以从源头消除腐蚀隐患。

[1] 刘静.重庆市20#钢质燃气埋地管道的土壤腐蚀研究[D] .重庆：重庆大学，2013.

[2] 田先勇.20#低碳钢腐蚀因素分析[J] .科学技术与工程，2012，12(16)：3960～3961.

[3] 项民，张琦，王为.20#钢在聚丙烯酰胺驱油溶液中的腐蚀行为[J] .腐蚀科学与防护技术，2005，17(3)：145～147.

[4] 梁成浩，李淑英.海水冷却装置20#碳钢管腐蚀破损分析[J].腐蚀科学与防护技术，2000，12(3)：171～172.

[5] 王海林，雍兴跃，侯纯扬，等.碳钢/钛合金复合材料在3%NaCl溶液中的电偶腐蚀研究[J] .化工机械，2009，36(5)：423～426.

[6] 吴荫顺，何积铨，曹备，等.腐蚀试验方法与防腐蚀检测技术[M].北京：化学工业出版社，1995.

[7] Srikanth S，Sankaranarayanan N，Gopalakrishan K，et al.Corrosion in a Buried Pressurized Water Pipeline[J] .Engineering Failure Analysis，2005，12(4)：634～651.

[8] 王文和，沈士明，於孝春.近中性土壤中20#钢管道材料腐蚀行为与机理的研究[J] .材料工程，2009，(6)：5～9.

[9] 王磊，胡军，郑茂盛.氯离子对典型不锈钢材料腐蚀的EIS分析[J] .化工机械，2014，41(1)：51～55.