ND钢耐低温露点腐蚀性能的研究

常季;陈吉;崔霄

【摘 要】ND钢是目前国内外最理想的“耐硫酸低温露点腐蚀”钢材.采用浸泡质量损失实验对ND钢、304不锈钢和20R在硫酸介质中的腐蚀情况进行了研究,来模拟硫酸的低温露点腐蚀.讨论了硫酸质量分数、腐蚀温度对腐蚀速率的影响,并结合扫描电子显微镜(SEM)、电化学工作站对材料的表面形貌及电化学性能进行分析.结果表明:ND钢的耐腐蚀效果明显高于20R,温度20℃和40℃时,不同质量分数硫酸中的腐蚀速率分别为2.22～9.52 mm/a和11.41～ 13.56 mm/a;其耐蚀性也优于304不锈钢,且硫酸质量分数对其腐蚀速率的影响不大,同时ND钢具有更高的破膜电位为1 104.5 mV,抵抗腐蚀性能更强.因此ND钢具有耐硫酸低温露点腐蚀的能力.

【期刊名称】《石油化工腐蚀与防护》 【年(卷),期】2016(033)001 【总页数】4页(P8-11)

【关键词】ND钢;低温露点腐蚀;硫酸;耐蚀性 【作 者】常季;陈吉;崔霄

【作者单位】辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;楚天华通医药设备有限公司,吉林长春130507;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001 【正文语种】中 文

目前能源问题越来越严重，随着煤、石油等化石能源的大量开采，燃料中的硫含量越来越高，从而导致燃烧、热交换等设备遭受到严重腐蚀，特别是在热交换过程中发生的硫酸露点腐蚀[1]。例如烟道、烟囱、脱硫装置等。燃料中通常含有质量分数2%～3%的硫，经燃烧后在烟气中产生体积分数约0.2%的SO2，其中又有体积分数1%～2%的SO2受颗粒粉尘、金属氧化物等的催化作用而生成SO3，再与烟气中的水分结合生成硫酸，在处于露点以下的金属表面凝结并腐蚀金属[2-3]，即所谓的硫酸露点腐蚀。硫酸露点腐蚀是一种苛刻的均匀腐蚀，许多材料在在这种环境下的腐蚀速率超过10 mm/a，有的甚至大于100 mm/a[4]。顾国亮[5]等人对ND钢、316L和20号碳钢在不同硫酸质量分数、介质温度以及试样的旋转速度对三种材质的腐蚀速率进行研究，结果表明，在硫酸质量分数超过20%时，三种材质的抵抗硫酸腐蚀的顺序为：ND钢大于20号远大于316L不锈钢。 SHEN Hong yan[6]等人研究了锅炉尾部的金属壁温对选材的影响。周梓荣[7]等人选用ND，2205，17-4PH和316L等材料，在5%NaCl溶液和

现场提取的工作介质中进行了60～80 ℃工作温度下的腐蚀性试验。结果表明，在5%NaCl溶液中，ND钢耐蚀性能最好。许述剑等人研究了硫化物应力腐蚀及电化学腐蚀特性，结果表明，硫化物对钻采设施、集输管线及净化装置都会产生强烈的腐蚀作用[8-10]。Alec Groysman[11]，王荣和张建成[12]等人研究了ND钢热管的寿命及相容性问题。并与普通碳钢热管的性能及寿命作了对比实验， 认为ND钢管是一种新的耐酸腐蚀性能较好的材料。

因此，为了保证设备长期安全有效运转，在考虑设备的选材方面应尽可能选择减缓设备腐蚀的材料。该实验主要研究了ND钢、304不锈钢、20R在硫酸介质中不同浓度，不同温度对腐蚀速率的影响，从而为设备综合选材提供依据。 1.1 实验材料及化学成分

实验选用首钢生产的低碳钢20R和ND钢，山西太钢不锈钢股份有限公司生产的

304不锈钢。其材料成分见表1。 1.2 实验设备与药品

设备：水浴恒温箱，BRUKER 129 ev型能量弥散X射线谱仪， PARSTAT2273电化学工作站，电子天平，FIE Quanta600 FE-SEM 型场发射扫描电子显微镜。 药品：硫酸、酒精和硅胶。 1.3 实验方法

实验采用质量损失的方法评定ND钢、304不锈钢和20R三种材质在不同质量分数的硫酸中、不同的腐蚀温度下的腐蚀速率，研究质量分数、温度对硫酸腐蚀速率的影响。

浸泡质量损失实验标准选用JB/T 7901—1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸实验方法》。实验水浴温度为20，40和60 ℃， 硫酸质量分数为5%，10%，20%和30%。每组3个平行试样，试样尺寸为50 mm×25 mm×3 mm。试样腐蚀速率V和VL(年腐蚀速率)的计算分别见公式(1)和(2)：

式中： Wo为试样的原始质量,g；Wt为试样表面除去腐蚀产物后的质量,g；S为试样表面积,cm2；t为腐蚀时间,h。

式中：ρ为材料的密度,g/cm3,计算时取7.8。

动电位极化曲线测试在EG&G公司生产的PARSTAT 2273电化学工作站上完成。采用传统的三电极体系，用线切割切出10 mm×10 mm的正方形试样为工作电极，石墨为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE) 为参比电极，文中所有电位均相对于SCE而言。腐蚀介质选用5% 硫酸。测试前，分别将工作电极在-0.5 V下极化3 min以去除电极表面在空气中形成的氧化膜，然后在待测溶液中静置1 h达到稳态。极化曲线扫描速率为0.5 mV/s。EIS测试在开路电位下进行，扰动电位为10 mV，测试频率范围为100 kHz～50 MHz。所有测试均采用恒温水浴，温度为(20± 1)℃。

2.1 20 ℃硫酸中几种钢的腐蚀

图1为20 ℃时ND钢、304不锈钢和20R在不同质量分数硫酸中的腐蚀速率。 结果表明，20 ℃时，20R的腐蚀速率随硫酸质量分数的增加显著增大，而ND钢和304不锈钢变化缓慢。 2.2 40 ℃硫酸中几种钢的腐蚀

图2为 40 ℃时ND钢、304不锈钢和20R在不同质量分数硫酸中的腐蚀速率。 结果表明，40 ℃时，随着硫酸质量分数的增加20R的腐蚀速率仍显著增加，当硫酸质量分数大于10%时，304不锈钢的腐蚀速率也开始增加，ND钢腐蚀速率几乎不随硫酸质量分数的增加而改变。 2.3 60 ℃硫酸中几种钢的腐蚀

图3为 60 ℃时不同质量分数的硫酸对ND钢、304不锈钢和20R的腐蚀速率。 结果表明，60 ℃时，20R的腐蚀速率继续增加，达到771.71 mm/a，对于304不锈钢，当硫酸质量分数大于20%时，腐蚀速率不再增加，表现出了钝化现象，ND钢随着硫酸质量分数的增加，腐蚀速率增加缓慢，仍然低于304不锈钢。 2.4 腐蚀形貌分析

采用扫描电镜分别对ND钢、304不锈钢和20R钢在40 ℃温度下30%的硫酸腐蚀后试样进行表面形貌进行分析，测试管电压为15 kV，放大倍数1 000，见图4。 由图4(a)可知，ND钢的γ′相粒子尺寸不均匀， 说明它们析出于时效的不同阶段，大尺寸者是早期析出的，如图4箭头1所指，同时第二相析晶体在基体中发生应变状态，引起部分共格应变衬度，使机体得到了强化[13]；304不锈钢表面均被腐蚀，出现了比较均匀的腐蚀坑，；20R表面腐蚀非常严重，表面腐蚀凹凸不平，且点蚀坑很深，如箭头3所指。 2.5 电化学能的测试

图5为在20 ℃温度下5%硫酸中ND钢、304不锈钢和20R的极化曲线，拟合结

果如表2。其中Ecorr,Ep,Eb 和Icorr依次代表腐蚀电位，致钝电位，钝化膜的破膜电位和腐蚀电流。由极化曲线及拟合结果可知，304不锈钢的自腐蚀电流Icorr为25.27 μA/cm2，自腐蚀电压Ecorr为-352 mV ，明显好于ND钢和20R钢，说明304不锈钢在破膜前体现耐蚀性能较好,主要是因为不锈钢含Cr量高，产生了钝化膜的缘故；由表2可知304不锈钢形成致钝电位较低为-257 mV，低于ND和20R致膜电位，说明在相同条件下更易形成钝化膜；但由破膜电位Eb知，ND钢的破膜电位为1 104.55 mV，较304不锈钢上移了503.11 mV,较20R钢上移了75.4 mV，说明ND钢相同条件下耐蚀性更强。这与扫描电镜观察出的腐蚀形貌一致。

(1)20R钢钢随着温度和硫酸质量分数的增大，腐蚀速率变化显著增大。 304不锈钢在温度超过60 ℃,硫酸质量分数大于20%，出现了钝化现象，腐蚀速率变得很缓慢,304不锈钢在低质量分数的硫酸中腐蚀比较缓慢，当温度升高到40 ℃以上腐蚀速率增加明显。硫酸质量分数对ND钢的影响不大，腐蚀速率增加缓慢，当温度由20 ℃变到40 ℃时，腐蚀速率增加也很缓慢，随着温度的继续增加，当温度达到60 ℃时腐蚀速率随硫酸质量分数增加开始逐渐变大。

(2)当温度小于60 ℃左右时，腐蚀速率20R>304>ND,ND钢的耐蚀性明显高于20R钢且整体也优于304不锈钢，因此ND钢比较适合耐硫酸低温露点腐蚀。 (3)ND的表面可能形成一层致密富含Cr,Sb和Cu等元素的致密钝化膜，提高了抗硫酸的腐蚀能力。

(4)ND钢破膜电位更高为1 104.5 mV，高于304和20R,表明ND钢抗硫酸腐蚀能力更强。

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