Q245R/316L与Q345R/316L电偶对在3.5%NaCl溶液中的电偶腐蚀

任 科，巨熔冰

（西安石油大学机械工程学院，陕西西安710065）

化学工程

Q245R/316L与Q345R/316L电偶对在3.5%NaCl溶液中的电偶腐蚀

任 科，巨熔冰

（西安石油大学机械工程学院，陕西西安710065）

针对石油化工行业异种金属联合使用产生的电偶腐蚀情况，采用电化学方法，研究了Q245R/316L和Q345R/316L电偶对在3.5%NaCl溶液中的电化学行为。结果表明：316L不锈钢自腐蚀电位远高于Q245R碳钢和Q345R低合金钢的自腐蚀电位，偶接后会发生电偶腐蚀，且Q345R/316L电偶对发生电偶腐蚀倾向略大于Q245R/316L；316L不锈钢易钝化，而Q245R碳钢和Q345R低合金钢则比较活泼；316L不锈钢受钝化产生的钝化膜的影响，开路电位下测得的自腐蚀电位值一般比采用动电位极化测量的值大；Q345R/316L电偶对发生电偶腐蚀比Q245R/316L电偶对严重；电偶腐蚀效应的大小是：Q345R/316L＞Q245R/316L。

Q245R；Q345R；316L不锈钢；电偶腐蚀

随着社会经济的发展，工业生产对材料的要求越来越高，应用材料的种类也越来越广泛，各种材料联合使用已经成为一种新趋势。在石油化工行业中，碳钢、低合金钢和不锈钢的联合使用也变得相当普遍。对于多种金属联合使用的构件，如果工况条件为腐蚀电解质溶液环境，那就满足了发生电偶腐蚀的三要素，必然会导致电偶腐蚀的发生。由于电偶腐蚀的作用，导致高电位材料的腐蚀被抑制，低电位材料的腐蚀被加速[1]。另外，电偶腐蚀可诱导甚至加速应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、氢脆等其他腐蚀行为的发生。因此，研究碳钢、低合金钢和不锈钢之间的电偶腐蚀，对于石油化工行业的安全运行具有重要的意义。

本文以Q245R碳钢、Q345R低合金钢和316L不锈钢为研究对象，采用开路电位，动电位极化，电偶电位和电偶电流测量等电化学方法研究了Q245R/316L和Q345R/316L电偶对在3.5%NaCl溶液中的电偶腐蚀行为。以期为石油化工行业的生产设备在实际应用中材料的优化选择和防腐方案的制定提供依据。

1 试验

1.1 试验准备

试样采用Q245R碳钢、Q345R低合金钢与316L不锈钢，其化学成分（见表1）。将3种试样分别切割制作成底面积为1 cm2的圆柱。将导线焊接在圆柱一个底面上，试样与导线连接后，用环氧树脂涂封，试样表面逐级打磨至800#砂纸，用蒸馏水进行冲洗，再用无水乙醇和丙酮脱脂，放入干燥器内干燥备用。为避免材料在空气中形成氧化膜对电偶腐蚀产生影响[2]，电化学试验均在试样密封1 h内进行。

试验介质为3.5%NaCl溶液，pH值为7，40℃。称取35 g的NaCl、965 g的蒸馏水，混合搅拌，用量筒量取500mL溶液。

1.2 试验方法

自腐蚀电位和动电位极化测量选用CS300电化学工作站进行，采用三电极体系，3种试样分别为工作电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，铂网为辅助电极。将工作电极Q245R和不锈钢试样分别置于试验介质中，监测开路电位随时间的变化。采用动电位法测量极化曲线，极化范围设定在-100mV～+180 mV（相对开路电位），扫描速率为0.4 mV/s。

表1 各种材料的化学成分（质量分数，%）

电偶腐蚀采用CS300电化学工作站来进行测量。将制备好的3种试样用导线连接起来，再用环氧树脂进行密封并预留工作面积，Q245R/316L和Q345R/316L电偶对的阴阳极面积比均为1：1。将制成的电偶对阴阳极的工作面完全浸泡在500mL 3.5%NaCl溶液中，连续测量电偶混合电位和电偶电流密度随时间的变化关系，研究不同材质对电偶效应的影响规律。

2 试验结果与分析

2.1 自腐蚀电位

试验连续监测了Q245R碳钢、Q345R合金钢和316L不锈钢在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电位（见图1）。

从图1中可以看出，316L不锈钢的自腐蚀电位整体变化不大，Q245R和Q345R自腐蚀电位明显发生负移，变化幅度较大。这说明316L在3.5%NaCl中比较稳定，具有一定的自钝化能力，Q245R和Q345R在3.5%NaCl中比较活泼，处于活化状态。316L不锈钢的自腐蚀电位远大于Q245R碳钢和Q345R低合金钢，电位差ΔE分别为396.5 mV和414.7 mV，远大于发生电偶腐蚀的阈值电位差50 mV[3]，因此，Q245R碳钢、Q345R低合金钢与316L不锈钢偶接均会发生电偶腐蚀。偶接后，在Q245R/316L和Q345R/316L电偶对中，低电位的Q245R和Q345R作为阳极加速腐蚀，高电位的316L作为阴极受到保护使腐蚀减缓。两种电极材料电位差越大，电偶腐蚀的倾向就越大[4]，所以形成的电偶对的腐蚀倾向为：Q345R/316L＞Q245R/316L，即Q345R/316L电偶对更易发生电偶腐蚀。

图1 自腐蚀电位

2.2 极化曲线测量

分别对Q245R碳钢、Q345R合金钢和316L不锈钢进行动电位扫描，得到各自的极化曲线（见图2）。

图2 极化曲线

由图2知，316L不锈钢有着极大的阳极极化率，因此表现出不锈钢强的极化能力，呈阳极极化控制。相对，Q245R和Q345R的阳极极化率则较小，但在较小的阳极极化电流下就可以引起电位的明显变化，因此呈阳极活化极化控制。同时，图1中的316L不锈钢的自腐蚀电位低于图2中的自腐蚀电位。这是因为图1中的电位测量是采用开路电位测量得到的，不锈钢表面产生良好的钝化膜[5]，钝化后电位向正向偏移；而极化曲线的测量是阴极到阳极的极化过程，电位在较低区间呈还原反应活化极化控制，钝化膜被清除，从而导致自腐蚀电位降低。

2.3 电偶腐蚀测量

偶接后，电偶腐蚀测量电偶对的混合电位和电偶电流密度（见图3、图4）。

图3 电偶对的混合电位

图4 电偶对的电偶电流密度

由图3可知，Q245R/316L和Q345R/316L电偶对的混合电位整体均向负向偏移，且Q245R/316L电偶对偏移的幅度明显大于Q345R/316L电偶对。试验中，Q245R/316L电偶对的平均混合电位值为-0.568 V大于Q345R/316L电偶对的平均值-0.656 V。在160 s左右，Q245R/316L电偶对的混合电位发生异常，有向正向偏移的趋势，这是因为Q245R作为阳极受到阳极极化，导致混合电位向正向偏移，但很快相应阴极316L也受到阴极极化的影响而活化，使得电偶对混合电位又逐渐负移。

由图4可知，Q345R/316L电偶对的平均电流密度大于Q245R/316L电偶对的平均电流密度。Q345R/316L电偶对因受阴、阳极不同极化的控制，出现多次波动。Q245R/316L电偶对偶接后电流密度开始向正向偏移，在160s左右，由于受电偶对阴极316L极化控制，电偶电流密度出现反转逐渐负移。根据电偶电流密度的大小可以得出Q345R/316L比Q245R/316L发生电偶腐蚀更严重。

2.4 电偶腐蚀效应的计算

在电偶腐蚀试验中，通常采用电偶腐蚀效应γ表征偶合对材料电偶腐蚀行为的影响。根据文献[6，7]，电偶对的阳极上仅发生金属的溶解反应时，阳极金属的电偶腐蚀效应可通过下式计算：

根据文献[8]上式中的ig采用试验周期内测量的平均电偶电流密度的值带入进行计算。计算公式如下：

根据式（1）、式（2）计算偶接后的电偶腐蚀效应γ，icorr为偶接前的自腐蚀电流结果（见表2）。

表2 根据电化学测量计算得到的Q245的电偶腐蚀效应

分析表2可以发现，Q245R/316L电偶对γ值小于1，这说明Q245R碳钢与316L不锈钢偶合后的电偶电流甚至小于偶合前的自腐蚀电流。因此式（1）计算的电偶腐蚀效应是不准确的。实际上在偶合后阳极金属极化很小时（即对于电偶对中阳极Eg≈Ecorr时），存在Ig≈因此，式（1）应修正为：

修正结果添加到表2。电偶腐蚀效应为Q345R/316L＞Q245R/316L。

3 结论

（1）316L不锈钢自腐蚀电位远高于Q245R碳钢和Q345R低合金钢的自腐蚀电位，有很大的驱动电位差，偶接后会发生电偶腐蚀，且Q245R碳钢和Q345R低合金钢作为阳极，腐蚀加剧，316L不锈钢则作为阴极被保护，腐蚀减缓。Q345R/316L电偶对发生电偶腐蚀倾向略大于Q245R/316L电偶对。

（2）316L不锈钢具有强的极化能力容易钝化，受钝化产生的钝化膜的影响，开路电位下测得的自腐蚀电位值一般比采用动电位极化测量的值大；而Q245R碳钢和Q345R低合金钢由于极化能力小，表现比较活泼。

（3）电偶腐蚀测量表明，Q345R/316L电偶对发生电偶腐蚀比Q245R/316L电偶对严重，表明Q245R/316L选材搭配相对合理，应优先考虑。

（4）根据电偶腐蚀效应的计算，电偶腐蚀效应的大小是：Q345R/316L＞Q245R/316L。

［1]刘宇，石勇，李宁，等.5083铝合金与2205不锈钢在天然海水中的电偶腐蚀行为［J］.腐蚀与防护，2012，33（6）：532-534.

［2]Cheng C Q，Zhao J，Cao T S，et al.Facile chromaticity approach for the inspection of passive films on austenitic stainless steel［J］.Corrosion Science，2013，70（3）：235-242.

［3]王凤平，等.腐蚀电化学原理、方法及应用［M］.北京:化学工业出版社，2008：120-123.

［4]陈兵.过程装备腐蚀与防护［M］.中国石化出版社，2015：39-40.

［5]宗广霞，张洋，方军锋，等.X65/316L电偶对在模拟油田产出水中的电偶腐蚀行为［J］.腐蚀与防护，2012，33（7）：589-592.

［6]Mansfeld F.Galvanic Interaction Between Active and Passive Titanium［J］.Corrosion-Houston Tx-，1973，29（2）：56-58.

［7]Mansfeld F.Area Relationships in Galvanic Corrosion［J］.Corrosion-Houston Tx-，1971，27（10）：436-442.

［8]Bellucci F.Galvanic Corrosion between Nonmetallic Composites and Metals：I Effect of Metal and of Temperature［J］.Corrosion-Houston Tx-，1991，47（10）：808-819.

［9]陈匡民.过程装备腐蚀与防护［M］.北京：化学工业出版社，2001：241-243.

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-），硕士研究生，从事化工过程机械相关工作，邮箱：349944920@qq.com。