交流电磁场对几种金属腐蚀行为的影响

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(1. 广东省石油化工装备工程技术研究中心,茂名 525000; 2. 广东省石化装备故障诊断重点实验室,茂名 525000;3. 东北电力大学，吉林 132012)

在循环冷却系统中，因换热设备的金属材质、水质参数以及金属各部件运行时所遇到的物理、化学条件等不同，金属将发生各种形态的腐蚀，这些腐蚀将极大地影响工业设备运行的安全性与经济型。为了减少循环冷却水系统中的金属腐蚀，一般采取离子交换法、化学投药法、化学清洗法等进行处理[1-2]，但是这些方法不仅耗费较大、对水体的污染严重，且处理不当会加速金属腐蚀。因此绿色环保的物理方法以其无毒害、无污染等优点成为了腐蚀防护领域的研究热点。

磁场处理是循环冷却水系统应用中备受关注的一种新型物理处理技术，主要针对磁场、电磁场的抑垢和抑微生物生长等方面进行应用研究[3-8]。近来，GHABASHY等[9-11]研究了磁场强度对金属腐蚀的影响，发现磁场强度高、低对金属腐蚀有一定影响，但未表明影响程度。王建国等[12]采用电磁场进行水处理试验，证明了磁处理可影响水质参数和金属腐蚀速率。BOTELLO-ZUBIATE等[13-14]研究发现，磁性水处理增加了碳钢或不锈钢表面的腐蚀作用。这些研究表明磁处理对金属腐蚀有一定影响，但磁场对不同金属的腐蚀是促进还是减缓并未定论。为此，本工作以循环冷却水系统中不同金属(不锈钢、黄铜、碳钢)为对象进行动态模拟试验，并对试验单元内整个金属腐蚀体系进行电磁场处理，旨在探究电磁场对各种金属腐蚀的影响，以期为用户选择有效、合理的防腐蚀对策提供理论参考。

1　试验

1.1　试样及装置

试验材料有304不锈钢、68黄铜、16Mn碳钢，将这3种金属制成圆柱形金属电极，尺寸为φ4.76 mm×31.75 mm，为确保检测结果的精确性，控制电极的表面积为5 cm2。

循环冷却水动态模拟装置见图1，其中，电磁处理装置示意见图2。电磁处理装置由电磁处理单元和励磁源2部分组成，其中电磁处理单元内部直径为12 cm，高为15 cm，线圈匝数为1 000；励磁源则由交流调压器外接负载电路构成，通过调节励磁源来控制线圈中励磁电流的大小，并使处理单元内部产生不同磁通量的电磁场。循环冷却水动态模拟装置采用双回路碳钢换热管，将两回路置于同一恒温水浴槽内，各回路试验独立、互不连通，其中一试验回路单元内进行电磁处理，装有电磁处理装置和金属电极，另一回路试验单元则作为空白对比研究，只安装金属电极。试验水由进水泵输送到各回路的下位水箱，经循环水泵送入上位水箱，由上位水箱恒速流入恒温水浴槽内的换热管及腐蚀电极，进入下位水箱，形成各测量回路的循环。上位水箱装有溢流管，以确保换热管入口水压和换热管流速恒定。换热管入口水温由各自的恒温水浴控制系统和空冷控制系统共同调节，恒温水浴系统配有自动控温的电加热器，空冷系统配有闭环控制的独立回路，以确保换热管入口和水浴温度恒定于指定温度±0.15 ℃内。

图1　循环冷却水模拟系统示意图Fig. 1　Schematic diagram of circulating cooling water simulation system

图2　电磁处理装置示意图Fig. 2　Schematic diagram of electromagnetic treatment device

1.2　试验方法

1.2.1 静态腐蚀试验

静态试验在循环冷却水模拟系统中进行，将磨口锥形瓶放入恒温水浴锅中，向磨口锥形瓶中倒入试验溶液(吉林地区生活饮用水)，将碳钢电极置于充满试验溶液的磨口锥形瓶中。恒温水浴锅加热温度为30 ℃，待温度稳定后开始试验，试验时间为600 min，电磁采用的电磁场强度及频率分别为50 Gs和50 Hz,考察交流磁场对碳钢腐蚀行为的影响。为进一步优化电磁场参数，提高其防护作用，设定电磁场强度为50 Gs，改变频率(5 Hz、10 Hz、20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、5 kHz、10 kHz)考察激励频率对碳钢腐蚀行为的影响及其有效性。通过9030 PLUS腐蚀速率测量仪对碳钢电极腐蚀速率变化特性进行监测，试验中每隔30 min记录一次试验数据。试验采用3个平行试样。

1.2.2 动态腐蚀试验

动态试验在循环冷却水模拟系统中进行。试验溶液为吉林地区生活饮用水，恒温水浴加热温度为55 ℃，冷却水流速为1.2 m/s，入口温度为(30±0.15) ℃，电磁场强度为50 Gs，频率为50 Hz。试验前，借助Ansoft Maxwell V 12.1软件计算励磁电流，并优化了磁处理电极的最佳位置，同时配合使用高斯计检验，并适当修正励磁电流，以确保电磁场强度的精确性。试验中将活化的3种金属电极同时置于各试验体系中，且使电极与内部介质流动方向垂直并充分接触，待试验体系稳定后，利用腐蚀速率仪在线检测各金属电极的腐蚀速率和点蚀倾向。试验周期为14 d,每次试验有2组平行试样,进行3次重复试验。分析3种金属电极在电磁场作用下的腐蚀行为。

2　结果与讨论

2.1　静态腐蚀试验

2.1.1 电磁处理的有效性

由图3可见：有无磁场条件下，碳钢试样的腐蚀速率曲线基本一致。但碳钢试样在有磁场条件下的腐蚀速率下降趋势高于无磁场条件下的；且当试验时间超过350 min后，下降趋势更为明显。为进一步说明磁场对碳钢腐蚀行为的影响，利用积分法将测得的瞬时腐蚀速率转换成平均腐蚀速率，以计算缓蚀率。参照文献[10]，计算得出电磁场对碳钢的缓蚀率接近10%。由此说明电磁场对碳钢腐蚀具有抑制作用，这也进一步为磁处理在金属防护方面的研究提供了有效性依据。

图3　有无交流磁场条件下，碳钢试样的静态腐蚀试验结果(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 电磁场频率对腐蚀的影响

由图4可见：在试验初期，碳钢表面未生成保护膜，碳钢的腐蚀速率为整个试验过程的最大值，随着腐蚀时间的延长，碳钢电极开始钝化。从电极腐蚀开始到钝化的过程中，随着电磁场频率的改变,腐蚀速率也发生不同程度的变化，但规律性并不明显。为此，利用积分法将不同频率下碳钢的腐蚀速率转换为平均腐蚀速率，与未加电磁场空白试验结果对比发现：在20 Hz、100 Hz和10 kHz频率影响下,碳钢的平均腐蚀速率增大，而在其他频率作用下,碳钢的平均腐蚀速率均减小。频率优化评定结果为：50 Hz>5 kHz>1 kHz>10 Hz。由此说明电磁场频率的大小与缓蚀性能有一定关联，在50 Hz条件下碳钢的平均腐蚀速率最小，缓蚀效果最好，因此，选定50 Hz作为动态试验电磁处理的激励频率。

(a)　低频段

(b)　中、高频段图4　50 Gs，不同频率下，碳钢试样的腐蚀速率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　动态腐蚀试验

2.2.1 电磁场对腐蚀速率的影响

由图5及表1可见：无磁场条件下，不锈钢和黄铜试样从开始腐蚀到钝化,整个过程的腐蚀速率均不超过0.25 mm/a，变化范围极小，尤其是不锈钢,基本未发生腐蚀，因此，不锈钢和黄铜均为耐蚀性较好的金属；而经电磁处理后,不锈钢和黄铜的腐蚀速率均开始增大，不锈钢的变化尤为明显，其平均腐蚀速率增大约2.8倍，且不锈钢和黄铜的缓蚀率分别为-178.57%和-1.07%，均为负值。由此说明：电磁场的作用使得不锈钢和黄铜表面的腐蚀速率增大，耐蚀性降低，并减缓了金属表面的钝化。

由图5及表1还可见：试验初期碳钢试样与流动介质相互作用致使腐蚀速率增加，经过约150 h,试样表面腐蚀情况基本稳定，腐蚀速率逐渐趋于平缓下降；150 h之后，电磁场处理试样较未处理试样的腐蚀速率明显减小，且碳钢试样平均腐蚀速率下降了2.44 mm/a，缓蚀率达到16.29%。这是因为碳钢为磁性材料，当处于电磁场中时铁原子会绕着自己的磁轴运动，一旦碳钢试样在介质中溶解，电磁场的作用会使磁矩较小的Fe2+更易附着在金属表面形成保护膜，减缓了碳钢试样的腐蚀速率，从而起到防腐蚀的作用。

(a)　不锈钢

(b)　黄铜

(c)　碳钢图5　3种试样的动态腐蚀试验结果Fig. 5　Dynamic corrosion test results of 3 samples:(a) stainless steel; (b) brass; (c) carbon steel

试样平均腐蚀速率/(mm·a-1)空白磁场条件下缓蚀率/%不锈钢0.0140.039-178.571黄铜0.0930.094-1.075碳钢14.97612.53616.292

图6中左侧为试验前试样，右侧为试验后试样，其中a1、b1、c1为空白试样(未加电磁场)，a2、b2、c2为电磁场处理试样。由图6可见：不锈钢经电磁处理后的耐蚀性下降，试样表面开始溶解，并在部分区域出现明显的点蚀坑；黄铜试样表面氧化膜在空白试验中为黑色，经电磁处理后伴有蓝绿色产物出现；而碳钢试样c2比c1附着的腐蚀垢多且包裹紧密，起到抑制了表面腐蚀的作用。这与图5中腐蚀速率测量曲线的分析结果一致。

图6　有无磁场试样腐蚀前后的宏观形貌Fig. 6　Macro-morphology of samples without and with electromagnetic field before and after corrosion

2.2.2 电磁场对金属点蚀的影响

由于腐蚀速率不能表示点蚀的生长情况，为分析电磁场对金属点蚀的影响，本工作利用9030 PLUS腐蚀测量仪的点蚀分析功能，分析了各金属材料的点蚀倾向。具体分析方法为：设定金属点蚀倾向与腐蚀速率比值为k，当k值小于1时，点蚀倾向小于或接近腐蚀速率；如果k趋近于零，金属产生轻微点蚀；当k值大于1时，点蚀倾向大于腐蚀速率且不稳定，金属点蚀倾向较大；如果k值大于10或很不稳定，这说明金属产生了严重点蚀。

表2　试验中k的变化范围Tab. 2　The change range of k during the test

由表2和图5可见:空白试验中，三种金属电极的k值范围均小于或接近1，此时点蚀倾向读数低于腐蚀速率读数，说明点蚀倾向很小甚至可以忽略。经电磁场处理后，碳钢k值变化不明显，这是由于受磁矩的影响，碳钢的点蚀倾向随着腐蚀速率的降低而减小；而不锈钢和黄铜经电磁作用后k值均大于1且波动范围较大，说明不锈钢和黄铜的点蚀倾向读数高于腐蚀速率读数，此时金属表面可能出现大面积的麻点，但还未向纵深方向进行，如果继续发展，点蚀将成为腐蚀的主要形式，其主要原因是由于电磁场与介质发生作用改变了金属表面的活性，降低了介质传质过程的活化能，加快了溶液中诱发不锈钢和黄铜点蚀离子的扩散速率，从而使这两种金属的点蚀倾向增加。

3　结论

(1) 交流电磁场处理对碳钢腐蚀有一定影响，碳钢因材料性质会在电磁场作用下使铁磁性离子受磁矩作用而更容易吸附在金属表面，从而阻碍与介质溶液的相互作用，使得腐蚀速率及点蚀迹象均得到缓解，即电磁场对碳钢材料具有抑制腐蚀的作用。

(2) 电磁场对不锈钢和黄铜的腐蚀体系起到了强化传质的作用，使金属表面的溶解速率加快，诱发点蚀的带电离子迁移更容易进行，致使不锈钢、黄铜的腐蚀速率加快,点蚀倾向增大，从而降低这两种金属在溶液中的耐蚀性。

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