二氧化硫吸收系統材質研究與分析

楊 雪，屈撐囤，張寧生，張國輝，楊 軍

（1.西安石油大學化學化工學院，陜西西安 710065；2.中原油田分公司技術監測中心，河南濮陽 457001）

普光氣田位于四川省達州市宣漢縣，是我國已投產的規模最大、豐產最高的特大型海相整裝氣田。普光氣田在非正常生產時燃燒的硫化氫會生成大量的二氧化硫，不僅對氣田的正常生產有影響，而且對周圍的生態環境也有很大的危害[1-2]。因此開展非正常生產時二氧化硫捕集與應急系統，對于確保氣田正常、安全生產以及保護環境都具有重要意義。

本文利用靜態失重法和電化學測試法，并結合掃描電鏡，研究A3鋼、304不銹鋼、鋁、H62銅等四種材質在 10%的（NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及 10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液中的腐蝕行為，并最終確定一種耐腐蝕性能最強的材質。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

主要試劑：（NH4）2SO3·H2O,70%NH4HSO3，分析純；A3鋼試樣的尺寸為 76×13×1.5 mm，304不銹鋼、鋁、H62 銅的尺寸均為 50×25×2 mm。

主要儀器：PARM2273電化學工作站，美國EG&G公司；JSM-6390A掃描電子顯微鏡，日本電子公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 腐蝕速率測定 腐蝕速率測定依據SYT 0026-1999水腐蝕性測試方法進行[2]。實驗介質為10%的（NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及 10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液。按照公式（1）計算試片的平均腐蝕速率。

式中：v為平均腐蝕速率，mm/a；ρ為試片的密度，g/cm3；S 為試片表面積，cm2；t為腐蝕時間，h；W0為試片腐蝕前的質量，g；W1為試片腐蝕后的質量，g。

1.2.2 電化學測試 電化學采用美國生產的PAR2273工作站進行。電解池選用EG&G公司的玻璃電解池，溶液體積為1.0 L，實驗溫度為30℃。采用三電極體系，以飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，石墨棒為輔助電極，工作電極的測試面積為0.785 cm2，極化曲線掃描區間為-250～250 mV（相對開路電位），掃描速率為0.166 mv/s。由極化曲線可獲得自腐蝕電位、腐蝕電流等電化學參數。電化學阻抗譜測量頻率范圍為100 kHz～100 MHz，阻抗測量信號為幅值10 mV的正弦波，共測定40個頻率點。采用JSM-6390A型掃描電子顯微鏡[3]對腐蝕試片進行形貌觀測。

2 結果分析與討論

2.1 靜態失重法

在30℃的條件下，四種材質在三種模擬介質中的靜態腐蝕結果（見表1）。

表1 四種材質在三種介質中的平均腐蝕速率

根據《SY 0007-1999鋼質管道及儲罐腐蝕控制工程設計規范》中的評價條款：304不銹鋼在三種模擬介質中的腐蝕等級都為低；A3鋼的腐蝕等級都為嚴重；鋁在10%的NH4HSO3溶液中的腐蝕等級為嚴重，在10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3混合溶液中的腐蝕等級為高，在10%的（NH4）2SO3的溶液中的腐蝕等級為低；H62銅在10%的NH4HSO3的溶液中的腐蝕等級為高，在 10%的 （NH4）2SO3以及 10%的 （NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液中的腐蝕等級為中。由靜態腐蝕失重法可知，在三種模擬溶液中304不銹鋼的耐腐性能最強。

2.2 電化學阻抗譜

圖1、2、3分別為 A3鋼、304 不銹鋼、鋁、H62 銅四種材質在10%的（NH4）2SO3、10%的NH4HSO3以及10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3混合溶液中的電化學阻抗譜。圖中阻抗譜弧的半徑與腐蝕速率有密切的關系，半徑越大，耐腐蝕性能越強[4]。

圖1中304不銹鋼電極的高頻弧半徑大于其他三種材質，說明304不銹鋼的電荷反映活性較低，進一步說明304不銹鋼的電極具有更低的放電活性。通過對比阻抗譜弧的半徑大小可知，腐蝕速率的大小為A3鋼＞H62銅＞鋁＞304不銹鋼。圖2中A3鋼的電化學阻抗譜由一個高頻容抗弧和一條Warburg阻抗直線組成，其余三種材質的電化學阻抗譜都是由一個高頻容抗弧組成，其腐蝕速率的大小為A3鋼＞鋁＞H62銅＞304不銹鋼。圖3中四種不同材質的電化學阻抗譜均表現為一個近似半圓的容抗弧。此容抗弧是由于電荷傳遞過程引起，其直徑可以認為是電極反應的電荷傳遞電阻[5-8]。由于電荷傳遞電阻的大小表示電化學反應進行的快慢，所以電化學阻抗譜結果表明其腐蝕速率的大小為A3鋼＞鋁＞H62銅＞304不銹鋼。由電化學阻抗譜可知，在三種模擬溶液中304不銹鋼的耐腐性能最好。

2.3 極化曲線

圖4、5、6分別為 A3 鋼、304不銹鋼、鋁、H62銅四種材質在 10%的（NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3混合溶液中的極化曲線，極化曲線分析處理所得的幾種參數（見表2）。

如圖4～6所示，在這四種金屬電極中A3鋼的腐蝕電位最負，其所對應的腐蝕電流值也最大。與之相比，304不銹鋼、鋁和H62銅電極的腐蝕電位較正，腐蝕電流值相比A3鋼的腐蝕電流值小。其中，304不銹鋼的腐蝕電位最正，腐蝕電流值相應也最小。由圖5可知，四種金屬電極的自腐蝕電位都很相近，但其中304不銹鋼的腐蝕電流值最小。由此可知，304不銹鋼的耐蝕性能最強。

表2 極化曲線擬合所得電化學參數

2.4 腐蝕形貌

為了更好的了解其腐蝕情況，對腐蝕試樣進行了微觀腐蝕形貌觀察[5]。圖7、圖8、圖9是30℃下四種材質在 10%的（NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及 10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液中的靜態腐蝕失重實驗試片去除腐蝕產物后基體的掃描電鏡，其中a、b、c、d分別為A3鋼、304不銹鋼、鋁、H62銅的微觀腐蝕形貌圖。

從圖7、圖8、圖9可以看到，A3鋼在三種腐蝕介質中的腐蝕最嚴重，點蝕孔數量比較多且分布雜亂[9]。鋁和H62銅有一定程度的腐蝕。304不銹鋼在三種腐蝕介質中腐蝕最輕，基體的表面形成了鈍化膜，阻止腐蝕向內部進行[10-12]。

3 結論

（1）A3鋼、304不銹鋼、鋁、H62銅等四種材質在10%的 （NH4）2SO3、10%的 NH4HSO3以及 10%的（NH4）2SO3和NH4HSO3的混合溶液中，304不銹鋼的耐腐蝕性能最強。

（2）在三種模擬溶液中，304不銹鋼的容抗弧的半徑最大，腐蝕速率最小，耐腐蝕性能最強。

（3）在三種模擬溶液中，304不銹鋼的腐蝕電流最小，其耐腐性能最強。

［1］屈撐囤，張曉龍，龍永福，等.長慶油田池46聯合站采油污水回注處理實驗研究［J］.環境科學與技術，2011，34（3）:93-95.

［2］屈撐囤，劉芳，楊峰，等.南二注采油污水腐蝕與控制技術研究［J］.石油化工應用，2012，31（5）:65-66.

［3］張世君，周跟先，等.油田水處理技術與檢測［M］.鄭州:黃河水利出版社，2003：59-60.

［4］唐俊文，張濤，孟國哲，等.碳鋼在90℃、H2S-HCl-H2O環境下的腐蝕行為Ⅱ-H2S溶液中HCL濃度對碳鋼腐蝕行為的影響［J］.中國腐蝕與防護學報，2011，31（1）:35-36.

［5］Anik M.,Celikten g.Analysis of the electrochemical reaction behavior of alloy AZ91 by EIS technique in H3PO4/KOH buffered K2SO4solutions ［J］.Corrosion Science，2007，49:1878-1894.

［6］Baril G.，Blance C.，Pebere N.，AC Impedance spectroscopy in characterizing time-dependent corrosion of AZ91 and AM50 Magnesium alloys charscterization with respect totheir microstructures［J］.Journal of the Electrochemical Society，2001，148:B489-B496P.

［7］Song G.，Atrens A.，Wu X.et al.Corrosin behavior of AZ21，AZ501 and AZ 91 in sodium chloride［J］.Corrosin Science，1998，40:1769-1791P.

［8］Baril G.，Pébère N.，The corrosion of pure magnesium in aerated and deaerated sodium sulphate solutions［J］.Corrosin Science，2001，43（3）:471-484P.

［9］劉良，繆磊，漢繼程，等.20號鋼在H2S-HCl-H2O溶液中的腐蝕行為［J］.腐蝕與防護，2011，32（6）:417-418.

［10］Cao C N.Corrosion Electrochemistry［M］.Beijing:Chemical Industry Press，1994:91.

［11］王斌，廬金柱，周培山，等.316L不銹鋼在高含氯乙二醇溶液中的腐蝕行為研究［J］.材料報導，2010，24（15）:518-519.

［12］肖國章，高霞，閆申橋，等.某油井套管腐蝕原因分析［J］.焊管，2011，34（8）:46-47.