硫酸對碳鋼管道腐蝕原因分析及建議

(中國石化集團重慶川維化工有限公司，重慶，401254)

1 前言

濃硫酸在化工裝置上使用時對金屬的腐蝕包括化學腐蝕和電化學腐蝕，且后者的破壞影響較大[1]。濃硫酸能使某些金屬鈍化，濃硫酸對金屬的鈍化過程是化學腐蝕過程，這種腐蝕使金屬表面生成一層致密的保護膜，可以阻止濃硫酸對金屬的進一步腐蝕，這對金屬防腐蝕來說是有益的。通常化工裝置上的硫酸對設備、儲罐和管道的破壞性腐蝕大多為電化學腐蝕。碳鋼是化工裝置上最為常見的金屬，常溫條件下碳鋼在硫酸中發生電化學腐蝕，其電極反應表示如下：

陽極反應：Fe → Fe2++ 2e

陰極反應：2H++ 2e →H2

總反應：Fe +H2SO4(濃) → FeSO4+ H2

碳鋼中的鐵為陽極，碳及其他一些雜質為陰極，鐵在反應過程中失去電子與硫酸根結合生成硫酸亞鐵，氫離子在陰極中得到電子被還原成氫氣[2]。

本公司自產濃硫酸送下游裝置使用時，下游裝置碳鋼管線多次出現穿孔泄漏，且管線的腐蝕情況相比以前外購硫酸時嚴重許多。管線腐蝕嚴重不僅會導致硫酸泄漏，增加安全風險，而且還需要投入大量的人力、物力對管線進行搶修。本文通過查閱相關文獻資料、硫酸組分對比分析及碳鋼掛片實驗對碳鋼管道的腐蝕原因進行了簡要的分析，并對如何降低濃硫酸的腐蝕給出了初步的建議。

2 硫酸組分對比分析

因自產硫酸腐蝕情況比外購硫酸嚴重，所以首先對自產硫酸與外購的硫酸產品的組分進行分析，具體分析見表1。

表1 硫酸組分分析

對比組分分析發現自產硫酸與外購的硫酸產品中的Cl-、NO3-、Fe3+含量基本一致，初步判定硫酸中Cl-、NO3-、Fe3+等雜質不是引起腐蝕的主因。

3 實驗方法

3.1 實驗試劑和儀器

試劑：公司自產濃硫酸99.2(w)%、蒸餾水、碳鋼掛片(28cm2) 、丙酮、無水酒精、氫氧化鈉溶液60g/L、鹽酸溶液(鹽酸與水體積比1：4)、酸洗溶液( 1000mL體積比1：4的鹽酸溶液中加入8g六次甲基四胺)。

儀器：燒杯、玻璃棒、加熱磁力攪拌器(IKA/RCT基本型)、電子天平(梅特勒ML204,0.1mg)、電吹風、干燥器。

3.2 碳鋼掛片腐蝕實驗

3.2.1 新掛片清洗

用濾紙將掛片上防銹油擦洗干凈，然后分別在丙酮溶液和無水乙醇中用脫脂棉擦洗干凈，置于干燥濾紙上，用電吹風吹干后，置于干燥器中4h以上，稱重(精確到0.1mg)，記為m0。

3.2.2 碳鋼掛片腐蝕實驗

3.2.2.1 酸濃度的影響

在500ml的燒杯中用自產濃硫酸配制99%、98.5%、98%三種濃度的硫酸各800g，燒杯中放入磁力轉子，將燒杯放在磁力攪拌器上，將處理好的碳鋼掛片浸沒在硫酸中，燒杯上用保鮮膜密封，調節攪拌速度280r/min,96小時后取出掛片進行處理。

3.2.2.2 酸溫度的影響

在500ml的燒杯中稱量3份800g自產濃硫酸，燒杯中放入磁力轉子，將燒杯放在磁力攪拌器上，將處理好的碳鋼掛片浸沒在硫酸中，燒杯上用保鮮膜密封，調節攪拌速度280r/min,控制濃硫酸的溫度分別為15℃、25℃、35℃，96小時后取出掛片進行處理。

3.2.3 腐蝕后掛片清洗

將試片取出后先用蒸餾水沖洗并用毛刷刷干凈，然后在酸洗溶液中浸泡3～4min，取出，迅速用蒸餾水沖洗后，立即浸入氫氧化鈉溶液中約30s。取出后用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙擦拭并吸干水分，在無水乙醇中浸泡約3min，置于干燥濾紙上，用電吹風吹干后置于干燥器中4h以上，稱重(精確到0.1mg)，記為m1。

3.3 結果計算

以mm/a表示的碳鋼腐蝕速率：

X=8760×(m0-m1)×10/(s×ρ×t)

式中：

m0——新掛片清洗完的質量，g；

m1——腐蝕后掛片清洗完的質量，g；

s——試片的表面積，cm2(實驗掛片為28cm2)；

ρ——試片密度，g/cm3(實驗碳鋼掛片7.85g/cm3)；

t——掛片懸掛的時間，h(實驗時間96h)；

8760——與一年相當的小時數，h/a；

10——與1cm相當的毫米數，mm/cm。

4 結果與討論

通過上述公式計算不同濃度及不同溫度下碳鋼的腐蝕速率，見表2和表3。

表2 不同濃度下碳鋼的腐蝕速率

表3 不同溫度下碳鋼的腐蝕速率

由表2可以看出硫酸濃度對碳鋼腐蝕速率影響很大，碳鋼掛片在98%的硫酸中的腐蝕速率是99%硫酸的2.58倍，在98.5%的硫酸中的腐蝕速率是99%硫酸的2.09倍。同樣由表3可知硫酸溫度對碳鋼腐蝕速率影響也很大，在99.2%的硫酸濃度下，碳鋼掛片在35℃的硫酸中的腐蝕速率是15℃硫酸的3.98倍，而在25℃下的腐蝕速率與15℃相差不大。

5 腐蝕原因分析與建議

由上可知，外購硫酸與自產硫酸組分差別不大，故判定硫酸組分不是造成碳鋼管道腐蝕嚴重的主要原因；而硫酸的溫度和濃度對碳鋼腐蝕速率影響很大，本公司硫酸生產裝置送出硫酸濃度有時波動較大，低時達到98.3%左右，這可能會加劇碳鋼管道的腐蝕，另外硫酸裝置夏天送出硫酸的溫度較高，平均33℃左右，最高能達到43℃，這也會導致碳鋼管道腐蝕嚴重。

為了減少硫酸對碳鋼管道的腐蝕，硫酸裝置應優化工藝，確保硫酸送出濃度穩定在99%以上，硫酸溫度控制在25℃以下。