磁化水對金屬耐蝕性能的影響

宋 飛，葛紅花，范秀方，鄧宇強，劉 鋒，倪瑞濤

（1.西安熱工研究院有限公司，西安710032；2.上海電力學院，上海高校電力腐蝕控制與應用電化學重點實驗室，上海熱交換系統節能工程技術研究中心，上海200090；3.華能日照電廠檢修部，日照276826）

有關磁化水對金屬腐蝕性的研究較少，對其作用機理及作用效果也沒有統一的說法。有學者認為磁化水可以減緩金屬的腐蝕，也有學者則認為磁化水可加速金屬在介質中的腐蝕速率。以鐵為例，大多認為，當水體經過磁場時，在洛倫茲力的作用下，水體中的帶電粒子發生偏轉及形變，從而使疏松的Fe2O3·nH2O轉化為穩定致密的Fe3O4覆蓋在金屬體表面［1］，在金屬與水之間形成阻隔膜保護層，使金屬與水中的氧完全隔離，從而達到抑制金屬腐蝕的目的。Sueptitz等［2］通過研究磁場對鐵在硫酸溶液中自腐蝕電位的影響、磁場對離子在溶液中傳質過程的影響以及磁場對溶液中氫離子濃度的影響，解釋了磁場抑制金屬鐵腐蝕的機理。Chouchane等［3］經研究發現在25℃下、3%的NaCl溶液中，磁場對不同Ni2＋濃度的鋅鎳合金涂層的腐蝕性均有一定抑制作用，尤其是鋅鎳合金中Ni2＋濃度較小的情況下，磁場可以顯著改善鋅鎳合金的耐腐蝕性。Zubiate等［4］的試驗表明，在溫度為80℃，流速為0.77m／s條件下，模擬水經磁化處理后，加大了碳鋼的腐蝕速率。Hu等［5］在25℃下研究了不同質量濃度的NaCl溶液中磁場對銅鈹合金的腐蝕影響，發現銅鈹合金的腐蝕性與NaCl溶液的濃度有關，當NaCl溶液的質量濃度為1%、4%時，磁場對銅鈹合金具有加速腐蝕作用，而當NaCl溶液的質量濃度為3%時，磁場可以抑制銅鈹合金的腐蝕。

以上結果表明，磁化水可以影響金屬的耐蝕性。但多數研究主要集中在中性介質和常溫條件下進行，在一定溫度和壓力條件下的研究較少。磁處理作為一種綠色的水處理技術，已應用于電廠水處理設備如反滲透設備的結垢控制。此外，磁化水對金屬表面鈍化膜（即氧化層）的形成及其物化特性（平整度、致密度等）具有一定影響，從而改變其在腐蝕環境中的耐蝕性。本工作利用高壓釜模擬高溫高壓環境，研究了20G鋼和316L不銹鋼在磁化堿性水溶液（pH＝9.0）中的耐蝕性，探討磁處理技術的應用對鍋爐系統金屬耐蝕性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗藥品及儀器

試驗藥品：氨水（分析純），自制高純水。

試驗儀器：PARSTAT 2273電化學工作站（美國AMETEK公司）、KCFD2-10高壓反應釜（煙臺松嶺化工設備有限公司）、磁處理器、DDS-11A型電導率儀（上海雷磁新涇儀器有限公司）、動態循環裝置。

1.2 試驗方法

分別取1L未經磁化處理和經磁化處理的除鹽水，用氨水調節pH至9.0，倒入高壓反應釜中，將20G鋼和316L不銹鋼加工成10mm×10mm的試片，用金相砂紙逐級打磨至6號，酒精棉擦拭后放入高壓反應釜的氣相試片架中，密封高壓反應釜，通入氮氣除氧30min后，開始升溫至300℃，恒溫1h后自然冷卻，待反應釜內溫度降至80℃以下取出試片，置于干燥器中待用。

取試片在高壓釜中向上的一面為工作面，在工作面背面焊上導線，用環氧樹脂封裝非工作面作為工作電極。以鉑電極為輔助電極、飽和甘汞電極為參比電極（SCE），除鹽水用氨水調節pH至9.0作為測試溶液，在PARSTAT 2273電化學分析儀上測試金屬的極化曲線與電化學阻抗譜。極化曲線測試掃描速率為1mV／s；電化學阻抗測試頻率范圍為50mHz～100kHz，交流激勵信號幅值5mV，并采用ZsimpWin軟件對電化學阻抗譜進行擬合。

2 結果與討論

2.1 磁化處理對20G鋼耐蝕性能影響

圖1為20G在未經磁化處理和經磁化處理模擬水溶液中的極化曲線，表1為通過極化曲線獲得的腐蝕電位Ecorr、腐蝕電流密度Jcorr、0.2V電位下的維鈍電流密度Jp和過鈍化電位Etp。

圖1 20G鋼電極在未經磁化處理和經磁化處理的鍋爐水中的極化曲線Fig.1 Polarization curves of 20Gsteel in simulated boiler water with and without magnetic treatment

表1 20G鋼電極在不同模擬鍋爐水中處理后的極化曲線參數Tab.1 Polarization curve parameters of 20Gsteel in simulated boiler water with and without magnetic treatment

由圖1可知，在兩種模擬鍋爐水溶液中，20G鋼電極在陽極極化區均出現了鈍化，即極化電流密度基本不隨電極電位的升高而變化，表明20G鋼表面形成了鈍化膜，從而抑制了金屬基體中Fe2＋的溶出過程。

結合表1可知，在經磁化處理的模擬鍋爐水環境中，20G鋼電極的腐蝕電位正移，腐蝕電流密度和維鈍電流密度均減小，說明磁化處理可促進20G鋼的鈍化，電極的耐蝕性能提高。

圖2為20G鋼在未經磁化處理和經磁化處理的模擬鍋爐水溶液中的電化學阻抗譜。

對于有保護膜覆蓋的金屬的腐蝕過程可采用圖3所示的等效電路表示［6］。其中，Rs為溶液電阻，R1、Q1分別表示電荷轉移電阻和雙電層電容，R2、Q2分別表示膜電阻和膜電容。表2為20G鋼在未經磁化處理和經磁化處理模擬鍋爐水溶液中的電化學阻抗譜參數。

圖2 20G鋼電極在不同模擬鍋爐水中的電化學阻抗譜Fig.2 The EIS of 20Gsteel electrodes in simulated boiler water without and with magnetic treatment

圖3 電化學阻抗譜擬合等效電路圖Fig.3 The fitting equivalent circuit for EIS

表2 20G鋼在未經磁化處理和經磁化處理的測試液中的電化學阻抗譜參數Tab.2 The EIS parameters of 20g steel in test solution with and without magnetized treatment

由表2可見，20G鋼電極表面的膜電阻R2遠大于電荷轉移電阻R1，表明20G鋼鈍化后其耐腐蝕性能主要源于鈍化膜對離子擴散的阻隔作用。電荷轉移電阻R1小而雙電層電容Y1值較大，說明在鈍化膜／測試液界面電荷轉移過程較為活躍［7］；兩種情況下膜電阻R2均較大而膜電容Y2值均較小，說明模擬鍋爐水無論是否經過磁化處理，20G鋼電極表面均有保護性能良好的鈍化膜生成，但經磁化處理后膜電阻顯著增大，說明磁化處理可以促進20G鋼電極表面鈍化膜的生長，如增加其厚度或提高其致密度。此外經磁化處理后膜電容（用常相角元件表示）參數n2值顯著增大且接近于1，說明磁化處理可使20G鋼電極表面所形成的鈍化膜更加均勻。

2.2 磁化處理對316L不銹鋼耐蝕性能影響

圖4為316L不銹鋼電極在未經磁化處理和經磁化處理的模擬鍋爐水溶液中的極化曲線，表3為通過極化曲線獲得的腐蝕電位Ecorr及腐蝕電流密度Jcorr。

圖4 316L不銹鋼電極在未經磁化處理和經磁化處理的模擬鍋爐水溶液中的極化曲線Fig.4 Polarization curves of 316Lstainless steel electrode treated in simulated loiler water without and with magnetic treatment

表3 316L不銹鋼在不同模擬鍋爐水中處理后的腐蝕電位（Ecorr）和腐蝕電流密度（Jcorr）Tab.3 Corrosion potential（Ecorr）and corrosion current density（Jcorr）of 316Lstainless steel treated in simulated boiler water without and with magnetic treatment

由圖4可以看出，在未經磁化處理的模擬鍋爐水中316L不銹鋼出現了輕微的鈍化現象，但隨著電位的升高，其鈍態電流密度緩慢增大，鈍化膜性能變差；模擬鍋爐水經磁化處理后，沒有發生明顯的促進316L不銹鋼鈍化的現象。由表3可知，在兩種溶液中不銹鋼的腐蝕電流密度均較小，說明其自身的耐蝕性能較好。但在經磁化處理后的試驗溶液中不銹鋼電極的腐蝕電流密度有所增大，說明磁化處理未能增強316L不銹鋼的耐蝕性能。圖5為316L不銹鋼在不同模擬鍋爐水中處理后的Bode圖，可獲得磁化處理前后不銹鋼電極的阻抗模值｜Z｜0.05分別為80.76kΩ·cm2和55.83kΩ·cm2，同樣說明磁化處理未能提高316L不銹鋼的耐蝕性。

綜上所述，在經過除氧的模擬鍋爐水環境中，20G鋼、316L不銹鋼表面均發生鈍化，比較兩種材料在鈍化電位為0.2V下的鈍態電流密度，如表4所示。

由表4可以看出，在相同鈍化電位下，與在未經磁化處理的試驗溶液中相比，20G鋼電極在經磁化處理的試驗溶液中的鈍態電流密度減小到0.41μA·cm-2，即降低了34%，說明溶液經磁化處理對20G鋼電極耐蝕性能的提高較顯著。316L不銹鋼電極的鈍態電流密度較小，說明該材料耐蝕性能較好。316L不銹鋼電極的在經磁化處理前后試驗溶液中的鈍態電流密度增大幅度較小。不銹鋼表面鈍化膜的生成與溶液中的溶解氧含量有很大關系，在經過除氧的模擬鍋爐水中，可能是氧氣分子的缺乏使不銹鋼的鈍態受到一定影響，磁處理使其鈍態電流密度略有增大，有關其作用機理還有待進一步研究。

圖5 316L不銹鋼在不同模擬鍋爐水中處理后的Bode圖Fig.5 Bode plots for 316Lstainless steel treated in simulated boiler water without and with magnetic treatment

表4 20G鋼、316L不銹鋼在不同模擬鍋爐水中處理前后的鈍態電流密度（Jp）Tab.4 The passive current density of 20g steel and 316L stainless steel treated in simulated boiler water without and with magnetic treatment μA·m-2

3 結論

（1）極化曲線顯示在模擬鍋爐水環境中20G鋼表面發生鈍化，溶液磁化處理可促進20G鋼的鈍化，電極耐蝕性能提高。電化學阻抗譜及其擬合參數顯示，20G鋼電極的耐蝕性能主要來自鈍化膜對離子擴散的阻隔作用，磁化處理可以促進20G鋼電極表面生成耐蝕性能更好的鈍化膜。

（2）316L不銹鋼的極化曲線和電化學阻抗譜顯示，溶液磁化處理使不銹鋼電極的腐蝕電流密度增大，阻抗模值減小，即磁化處理未能提高316L不銹鋼的耐蝕性能。

（3）比較20G鋼、316L不銹鋼在相同鈍化電位下的鈍態電流密度可以看出，316L不銹鋼的耐蝕性能較好，在經磁化處理后的溶液中，20G鋼電極的耐蝕性能與不銹鋼接近。

［1］劉衛國，劉建東，王勤靜，等.電磁處理器DAM防腐阻垢試驗研究［J］.工業水處理，2004，24（11）：52-55.

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［6］葛紅花，周國定，吳文權.316不銹鋼在模擬冷卻水中的鈍化模型［J］.中國腐蝕與防護學報，2004，24（2）：65-70.

［7］葛紅花，周國定，吳文權.模擬冷卻水中不銹鋼的自鈍化及硫離子的影響［J］.物理化學學報，2003，19（5）：403-407.