45＃碳鋼在選煤廠三種不同水質中的腐蝕行為

田江漫，解京選，張 琦，曲會東

（中國礦業大學 化工學院，徐州221008）

近年來，選煤廠設備的腐蝕問題越來越突出，一些選煤廠剛投產不久，就因為設備的嚴重腐蝕，導致廠房不得不停產檢修或更換設備，給企業的正常生產帶來極大不便，并造成巨大經濟損失。目前，國內研究多數集中在設備在煤泥水中的腐蝕及磨蝕[1－4]，鮮少研見選煤廠清水（生活用水）、循環水和礦井水（生產系統補加水）之類選煤廠水質源頭水引起的設備腐蝕。因此，對選煤廠設備腐蝕與防護的研究還有待進一步發展。目前，國內大多數選煤廠由于建設周期短多采用鋼結構[5]。45＃碳鋼由于其良好的加工性能和多方位的處理工藝而成為鋼材中最常用的加工材料。本工作采用失重法、電化學方法和X射線衍射法，研究了室溫下45＃碳鋼在選煤廠清水（生活用水）、循環水和礦井水（生產系統補加水）3種水質中的腐蝕行為，旨在為選煤廠設備防腐提供參考。

1 試驗

1.1 試樣及前處理

試驗試樣為45＃碳鋼，其化學成分見表1。試驗前試樣用砂紙逐級打磨至800＃，然后用丙酮除油，蒸餾水反復沖洗，快速吹干備用。

表1 45＃碳鋼的化學成分 %

1.2 腐蝕介質

腐蝕介質為河南永煤礦區某選煤廠現場采集的清水（生活用水）、循環水以及作為生產系統補加水的礦井水。水質分析見表2。

表2 水質分析

1.3 試驗方法

失重法采用靜態全浸懸掛法。工作電極的表面積為23.612 8cm2，將經過預處理的碳鋼浸泡9 d后，取出除銹稱量，并按式（1）計算平均腐蝕速率，試驗溫度為室溫。

式中：vcorr為腐蝕速率，g·m－2·h－1；m0，m1分別為試樣腐蝕前后的質量，g；S為試樣表面積，m2；t為腐蝕時間，h。

電化學穩態極化曲線在德國IM6（電化學）工作站完成。采用三電極體系，研究電極為45＃碳鋼，工作面積為5.510 7cm2，非工作面用環氧樹脂封存，電極需在體系中穩定1h后進行測定。鉑電極為輔助電極；飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極。文中若無特指，電位均相對于SCE。試驗在室溫下進行，極化曲線的掃描范圍為開路電位±500mV，由陰極向陽極掃描，掃描速率為0.5mV·s－1，穩定電壓為10mV。

電導率的測定采用上海雷磁DDSJ－308A型電導率儀，選用的電導電極為K＝0.997，α＝0.020。

采用D8ADVANCE型X射線衍射儀（XRD）對腐蝕產物的主要成分進行分析。

2 結果與討論

2.1 失重法

45＃碳鋼在選煤廠清水、循環水和礦井水3種不同水質中的腐蝕速率見圖1。從圖1可見，45＃碳鋼在礦井水中的腐蝕速率最大，在循環水中次之，在清水體系中的腐蝕速率最小。此外，45＃碳鋼在3種水質中的腐蝕速率在0.14～0.18g·m－2·h－1，說明碳鋼的腐蝕量很大，陽極材料的損耗很大。

2.2 電化學穩態極化曲線法

45＃碳鋼在選煤廠清水、循環水和礦井水3種水質中的腐蝕狀況如圖2、圖3、圖4、和表3、表4所示。由圖2可見，45＃碳鋼在3種水質中的陰陽穩態極化曲線的形狀大致相同，均未出現鈍化區和過鈍化區，也沒有電流急劇變化的現象。且從圖2和表3的數據中均可看出，陰極極化率和陽極極化率相差不大，整個腐蝕過程受陰、陽極混合控制。碳鋼在3種水質中發生腐蝕的機理為，碳鋼表面化學成分的不均勻性，導致鐵素體和滲碳體的標準電極電位不同，在電解質溶液中，金屬基體的電位低于滲碳體，在碳鋼表面形成了許多微陽極（鐵素體）和微陰極（滲碳體），無數個微陰極加速了微陽極的溶解[6]。由表4可見，3種水質均呈弱堿性，通常金屬在偏中性或弱堿性水質中陰極反應主要受溶解氧的擴散控制[7－8]，所 以碳鋼在3種水質中陰極主要發生的是吸氧腐蝕。

表3 45＃碳鋼在選煤廠3種腐蝕介質中的部分電化學參數

表4 選煤廠3種水質的pH

由圖2、圖3、圖4和表3還可看出，45＃碳鋼在礦井水中的腐蝕電流密度最大，在循環水中次之，在清水中最小。圖4中3種水質的腐蝕速率反應的結果與表3的測試結果存在一致性。

由圖3和圖4可見，溶液的電導率與碳鋼在其中的腐蝕速率存在一定的相關性。試驗測得，礦井水和循環水的電導率分別為4.62mS·cm－1和4.64mS·cm－1，兩者相差不大，而清水的電導率僅為0.784mS·cm－1，遠低于礦井水和循環水。研究表明[9]，溶液的電導率越大，含鹽量越高。即循環水和礦井水的含鹽量明顯高于清水。鹽含量高將使溶液中離子濃度增加，溶液的導電性增強，將促進腐蝕反應過程中電子的傳遞，增大腐蝕電流，加劇腐蝕。這也從一方面解釋了圖4中循環水和礦井水中碳鋼的腐蝕速率明顯高于清水中的原因。

圖1和圖4表明，利用失重法和電化學法對碳鋼在3種介質中腐蝕速率的測試結果是一致的，均表現為礦井水對碳鋼的腐蝕作用最強，循環水次之，清水的腐蝕作用最弱。碳鋼在3種水質中腐蝕程度的差異，除了受溶液電導率的影響，還受到介質離子組成的影響。由表2可見，3種水質中陰離子的組成主要是F－，Cl－，NO3－和SO42－，4種離子均為酸根離子，Cl－的大量存在不但會破壞金屬表面的鈍化膜，引起孔蝕和縫隙腐蝕，還有可能引起垢下腐蝕。F－具有很高的電負性，且離子半徑很小，因而其在溶液中有強烈的離子水合作用，容易引起酸腐蝕。SO42－也是一種侵蝕性離子，不僅會破壞鈍化膜引發孔蝕，還會與腐蝕體系中大量存在的Fe2＋反應，誘發酸腐蝕，并且，在厭氧性條件下，硫酸鹽還原菌會以硫酸鹽為營養物質進行繁殖，其代謝產物將加速碳鋼的腐蝕。NO3－的存在主要是增大了溶液的導電性，從而促進陽極金屬的腐蝕溶解，介質中的K＋和Na＋不會對碳鋼的腐蝕產生明顯的腐蝕，而Ca2＋和Mg2＋會與溶液中溶解的CO32－形成沉淀，附著在碳鋼表面形成保護膜，抑制碳鋼的腐蝕。3種水質中這幾種離子濃度含量的差異，以及各種離子之間的相互作用（協同或抑制），最終造成了碳鋼在3種水質中腐蝕程度的差異。

2.3 腐蝕產物分析

圖5表明，45＃碳鋼在選煤廠清水、循環水和礦井水3種水質中的腐蝕產物主要是鐵銹，其主要成分為Fe3O4和FeO（OH），這說明整個腐蝕過程中陰極發生去極化劑的還原反應所需要的全部電子基本上都是由陽極碳鋼中鐵的溶解來提供的，即腐蝕反應的陽極主要進行的是鐵失去電子生成Fe2＋。

3 結論

（1）兩種方法的測試結果均顯示，45＃碳鋼在選煤廠3種水質中均有不同程度的腐蝕行為，且其在3種水質中腐蝕程度的排序為：礦井水＞循環水＞清水。同時，全浸失重法的測試結果表明陽極材料的損耗很大。

（2）碳鋼在3種水質中的腐蝕屬于電化學腐蝕，且整個腐蝕過程受陰、陽極混合控制。陰極主要發生溶解氧的還原反應，且陰極反應速率主要受溶解氧的擴散控制。

（3）碳鋼在清水、循環水和礦井水3種水質中的腐蝕速率與水質本身的電導率存在一定的相關性，溶液的電導率越大，說明溶液的導電性越強，越有利于促進腐蝕反應過程中電子的遷移，增大腐蝕電流，加劇腐蝕。

（4）碳鋼在3種水質中腐蝕程度的差異，除了受水質電導率的影響，還受到水質中酸根離子和鈣鎂離子的共同影響。

（5）碳鋼在3種水質中的主要腐蝕產物是鐵銹，且其主要成分是Fe3O4和FeO（OH），說明陽極反應主要進行的是鐵的溶解。

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