不同温度下CO2对输油换热设备腐蚀行为的影响

张安妮，杨晓冬

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

不同温度下CO2对输油换热设备腐蚀行为的影响

张安妮，杨晓冬

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

本文针对延长石油管道运输公司换热器进行腐蚀部位取样，对目前常用的3种换热设备材料20#钢、304不锈钢、316不锈钢进行研究，采用极化曲线测试法研究不同pH下温度对腐蚀速率的影响，对3种材料进行腐蚀性能对比，确定此3种材料的腐蚀性能。

换热器；腐蚀；极化曲线

本文主要根据延长石油管道运输公司使用的管式换热器来研究。换热器管束的腐蚀已威胁到延长石油管道运输公司的安全生产和正常运输，因此实施有效的防腐措施已刻不容缓[1-3]。针对这一状况，为了减少各方面经济损失，需要对换热管原油中的二氧化碳等的腐蚀进行具体的研究分析，总结其腐蚀规律，为后续的防腐工作提供有利的参考。

1 实验材料

HH-2电热恒温水浴锅、DHG-9070干燥箱、FA1004B电子分析天平、CS310电化学工作站。

二氧化碳、氯化钠、氢氧化钠、稀盐酸、硫酸钠、硫酸钾、无水乙醇、环氧树脂等。

20#钢，304不锈钢，316不锈钢。

2 试验步骤

将3种试样分别加工成Ф11.3cm×3cm的小圆柱形状，用钎焊（如锡焊）或点焊的方法将导线焊在试样上，使最终暴露的试验面积为1cm2，非试验面部分和导线用环氧树脂、乙烯树脂或石蜡松香混熔物等绝缘物进行涂覆密封或可镶嵌。使用前将供试样的工作面表面依次用400#、600#、800#、1000#和1200#砂纸逐级打磨，用蒸馏水冲洗后丙酮除油除水。

试验介质为模拟输油管道换热设备中含CO2的腐蚀溶液。参照延长石油管道运输公司输送的原油配制试验用模拟溶液，主要考虑原油中含量比较高的Cl-和。模拟溶液用分析纯NaCl和Na2SO4配制，水为去离子水。饱和二氧化碳溶液配制时先通二氧化碳气体30min，再将电极接入电路系统，根据实验需要取一定量准备好的溶液放入测试瓶中，将探头放入测试溶液中，密封好，稳定后进行测试，数据记录由计算机自动完成。

3 不同pH下温度对腐蚀的影响

通过CS310的三相电化学测试系统，得到了不同pH值和不同温度下的3种材料的极化曲线图。图1为pH=5时，不同材质在不同温度下的极化曲线图。

图1 pH=5时20#钢、304不锈钢、316不锈钢在不同温度下的极化曲线图

pH为5时，各种材质在不同温度下的极化曲线通过Tafel拟合，得到的结果如表1所示。

从表1看出，当溶液pH=5时，随着温度升高，20#不锈钢、304不锈钢的腐蚀速率增大，20#不锈钢、304不锈钢的耐腐蚀能力下降，当温度升高到70℃时，其稳态腐蚀电位相比40℃时大幅度降低，说明此时钝化膜破坏严重，温度升高不利于钝化膜的形成和稳定，使得不锈钢耐点蚀能力下降。316不锈钢的腐蚀速率在60℃时达到最大，此时钝化膜遭到严重破坏，在70℃时有所降低，说明破坏的钝化膜在逐渐修复过程中。

图2为pH=7时，不同材质在不同温度下的极化曲线图。

表1 pH为5时各材质的拟合结果表

图2 pH=7时20#钢、304不锈钢、316不锈钢在不同温度下的极化曲线图

pH=7时各材料在不同温度下的极化曲线通过Tafel拟合的结果见表2。

从表2看出，随着温度升高，20#钢、316不锈钢的腐蚀速率都在不断增大。由于温度不断升高，生成钝化膜的阳极反应、钝化膜的化学溶解速率增加，导致阳极电流起伏涨落的绝对数值增加，Fe2+的水解平衡反应速率增加，温度升高促进其水解，有利于自催化作用的加剧，更容易发生腐蚀。304不锈钢在40～60℃时，随着温度升高，腐蚀速率在缓慢增加，超过70℃后，腐蚀速率急剧增大，说明此时钝化膜快速溶解。在相同条件下，316比304的腐蚀速率慢得多，最主要的原因是316添加了抗点蚀元素Mo，从而大幅度提高了其抗腐蚀性能，实验结果也再次证明了Mo元素的添加有利于提高不锈钢材料的点蚀温度抗力。

表2 pH为7时各材质的拟合结果表

图3为pH=9时，不同材质在不同温度下的极化曲线图。

图3 pH=9时20#钢、304不锈钢、316不锈钢在不同温度下的极化曲线图

pH=9时的各材料在不同温度下的极化曲线通过Tafel拟合的结果见表3。

从表3看出，随着温度升高，20#钢的腐蚀速率在不断增大，由于温度升高，钝化膜表面凹凸不平的现象减弱了温度对H+扩散的促进作用，最终温度升高还是表现在对自催化效应的增强，促进了腐蚀的发展。304不锈钢在50℃时腐蚀速率达到最大，此时304不锈钢产生的钝化膜发生水解，金属表面产物膜破损，溶液中Cl-、SO42-及 CO2溶于水形成的CO32+活性增加，与钝化膜中的金属阳离子结合成可溶性化合物，形成蚀坑，腐蚀最快，其余随着温度升高腐蚀速率同样在不断增大。316不锈钢在温度为40～60℃时，随着温度升高，腐蚀速率增大，但在试验中温度达到70℃时腐蚀速率略有下降，主要原因是随着温度的升高，Ni、Cr的氧化物和氢氧化物等腐蚀产物的沉积速度也就越快，越有利于生成结构致密的保护性产物膜，此时的产物膜对基体产生保护作用，保护材料表面不受强烈腐蚀。

表3 pH为9时各材质的拟合结果表

4 结论

1）温度为40～60℃时，当pH较小时，20#钢会较快进入稳定发展期，腐蚀电流增大的斜率明显较大，随pH增大，腐蚀电流增大的斜率会稍有减小。在温度为70℃时，pH较小时，20#钢同样会较快进入稳定发展期，但当pH较大时，20#钢的腐蚀电流会较长时间维持在一个较小的值，且点蚀电流增大的速率较缓慢。

2）温度为40～60℃时，当pH较小时，316不锈钢会较快进入稳定发展期，腐蚀电流增大的斜率明显较大，随pH增大，腐蚀电流增大的斜率会稍有减小；在温度为70℃且pH较大并不断增加时，316不锈钢的腐蚀电流一直维持在一个较小的值，且点蚀电流增大的速率特别缓慢。

3）温度为40℃、50℃且pH较小时，304不锈钢会较快进入稳定发展期，腐蚀电流增大的斜率明显较大，随pH增大，腐蚀电流变化缓慢，一直处于稳定状态；当温度为60～70℃时，在较短时间内，点蚀电流增大的速率快速，经过一段时间304不锈钢同样会较快进入稳定发展期，当pH较大并不断增加的过程中，304不锈钢的腐蚀电流一直维持在一个较小的值，腐蚀电流增大的速率比较缓慢。

[1] 安景武，李小红.换热器防腐蚀方法介绍[J].石油化工腐蚀与防护，2001，19(3)：62-64.

[2] 王学生.化工设备设计[M].上海：华东理工大学出版社，2011.

[3] 郑津洋.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2008.

Corrosion Characteristics of Oil Pipeline Heat Transfer Equipment

ZHANG Anni, YANG Xiaodong
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

The oil pipeline transport company heat exchanger corrosion site was sampling, according to three kinds of commonly used heat exchanger material 20# steel, 316 stainless steel, 304 stainless steel, the effect of temperature on the corrosion rate under different pH was studied by polarization curve test method. The corrosion resistance of three materials was compared, the corrosion performance was determined.

heat exchanger; corrosion; polarization curves

TG 172.6

A

1671-9905(2017)10-0061-04

2017-06-15