N80鋼在關中地區地熱水環境中腐蝕結垢行為研究

摘 """""要：為確保關中地區淺層地熱資源的高效利用，針對關中地區地熱水開發過程中的腐蝕結垢現象，研究N80鋼在該地熱水中的腐蝕結垢行為。首先采用水質分析方法和Larson指數法分析地熱水的腐蝕結垢趨勢，然后通過電化學法和失重法分析碳鋼在地熱水中的腐蝕結垢行為，最后采用掃描電鏡和能譜分析對N80試片進行腐蝕結垢表征。結果表明：關中地區某小區地熱水成垢陰離子含量高，Cl^-含量為2"144.73 mg·L^-1，腐蝕趨勢為中等腐蝕趨勢。N80鋼在該地熱水環境中的耐腐蝕性較好，在該地熱水中為均勻腐蝕，腐蝕速率隨溫度升高而升高，腐蝕產物的主要組成元素為Ca、O、Fe。

關 "鍵 "詞：地熱水；碳鋼；電化學腐蝕；失重法

中圖分類號：TE39 """""文獻標志碼： A """"文章編號： 1004-0935（2025）03-0406-04

地熱能資源是唯一不受天氣、季節變化的地球本土可再生清潔能源，具有儲量大、供應穩定、利用效率高、運行成本低等特點^[1]。腐蝕現象通常由高溫和流體中的腐蝕性物質相結合造成的^[2]，在地熱水的組成中有7種主要的成分導致地熱水腐蝕現象：氧、硫化氫、氯離子、二氧化碳、硫酸鹽、氨和氫離子^[3]。THORHALLSSON等^[4]測試了當高溫流體中含有H₂S、CO₂等酸性氣體對碳鋼和不銹鋼的腐蝕速率，發現在高溫環境中碳鋼表面產生的多孔Fe₃O₄腐蝕產物膜會促進膜下的進一步腐蝕。PFENNIG等^[5]在飽和CO₂的60"℃模擬地熱水中考察了AISI 420C（X46Cr13）材料的腐蝕及疲勞特性，發現材料出現裂紋之前，先有因碳酸驅動而形成的點蝕出現。LIU等^[6]系統地研究了2205雙相不銹鋼在含CO₂的地熱環境中鈍化膜和腐蝕產物形成機理以及鈍化性能的影響。ARISTIA等^[7]通過失重法和電化學測試分別在70 ℃和150 ℃下探究CO₂地熱水對碳鋼的腐蝕機理。結果表明，70"℃下碳鋼在有CO₂的情況下更容易被腐蝕，腐蝕產物主要為Fe₂（OH）₂CO₃和FeCO₃；在150"℃地熱水中觀察到FeCO₃對腐蝕有保護作用。全面腐蝕使得暴露中的金屬厚度均勻減小，對金屬的危害較小是可接受的并且易防護，局部腐蝕對地熱系統的金屬設備和管道構成了潛在的威脅，可能導致設備失效、泄漏和嚴重損壞^[8-9]。

關中地區地熱資源豐富，廣泛應用于冬季供暖，但是對于關中地區的淺層地熱能資源的腐蝕行為研究較少。為此，對陜西關中地區的地熱水進行水質分析以及研究碳鋼在該地熱水環境中的腐蝕行為，以保證關中淺層地熱能資源的可持續高效開發利用。

1 "實驗部分

1.1 "實驗材料

無水乙醇（分析純，天津市河東區紅巖試劑廠），氫氧化鈉（分析純，鄭州派尼化學試劑廠），鹽酸（分析純，天津市河東區紅巖試劑廠）。

主要儀器包括：高溫高壓釜（FCF-5L型，鄭州華特儀器設備有限公司），掃描電鏡（Quantu 600FEG，美國FEI），能譜分析儀（OXFORD INCA x-act，英國牛津儀器公司），電化學工作站（Parstat-2273，美國普林斯頓）。

1.2 "實驗方法

地熱水水質分析方法參照《水和廢水監測分析方法（第四版）》對地熱水進行分析。

1.2.1 "電化學測試

電化學實驗在PAR2273電化學工作站上完成，采用三電極體系：參比電極（Ag/AgCl），輔助電極是石墨，工作電極為N80鋼。

1.2.2 "失重法

實驗所采用的鋼材符合NACE國際標準。按SY/T"5273—2000中規定，計算掛片腐蝕速率的計算方法為失重法。按照NACE國際標準進行掛片預處理。預處理后準確稱重。

2 "結果與討論

2.1 "地熱水水質組成分析及腐蝕結垢傾向預測

現場采集關中地區某小區地熱水，水質分析結果見表1，地熱水的腐蝕結垢傾向分析結果見表2。由表1和表2可得，地熱水的pH值為7.15，呈弱堿性；礦化度為5"318.02"mg·L^-1，總體較低。地熱水中成垢陽離子含量低，成垢陰離子含量高，Cl^-含量為2"144.73"mg·L^-1，腐蝕趨勢為中等腐蝕，易引起管道材料的腐蝕。

2.2 "電化學分析

2.2.1 "電化學阻抗譜分析

圖1為N80碳鋼在不同溫度地熱水中的電化學阻抗譜。容抗弧半徑的大小與阻抗正相關^[10-13]。由圖1可知，隨著溫度的升高，N80碳鋼的容抗弧逐漸減小，因此阻抗值有不同程度的減小。說明地熱水溫度的升高，會降低N80碳鋼的耐腐蝕性。這可能是由于隨著溫度升高，Cl^-在金屬表面的積聚和化學吸附量不斷增加，導致鋼材表面被破壞的活性點增多^[14]。

2.2.2 "極化曲線測試

圖3為N80碳鋼在不同溫度的地熱水中的極化曲線。表3為極化曲線擬合后的電化學參數。根據腐蝕電化學原理，腐蝕電位越大，腐蝕電流密度越小，則耐腐蝕性能越好^[15-16]。從圖3中可以看出，隨著溫度的升高，腐蝕電位往負極移動，N80碳鋼的耐腐蝕性能逐漸變差。從表3中可以看出，對于N80鋼，當溫度從30 ℃上升至90 ℃，自腐蝕電位從-0.839 V降低至-0.904 V，自腐蝕電流密度從1.494"μA·cm^-2增大到3.880"μA·cm^-2，這說明N80鋼在90"℃時腐蝕傾向相對較大，耐腐蝕性能逐漸降低。

2.3 "失重法實驗結果

2.3.1 "碳鋼在地熱水中的腐蝕速率測定

采用失重法對N80鋼進行腐蝕時間分別為1、3、5、7、14"d的平均腐蝕速率測定，碳鋼在90"℃地熱水中的平均腐蝕速率如圖4所示。由圖4可知，N80鋼在3"d和5"d的平均腐蝕速率相差較大，5"d后降低但相差不大。說明在浸泡初期腐蝕產物膜不穩定，易脫落，隨著浸泡時間增加，表面形成一層致密的保護膜附著在碳鋼表面，減緩碳鋼被腐蝕，因此N80的腐蝕速率降低。

2.3.2 "腐蝕產物微觀形貌及元素組成分析

N80鋼在90 ℃地熱水環境中腐蝕3"d的腐蝕產物膜微觀形貌見圖6，腐蝕產物膜的EDS分析結果見表5，能譜分析結果圖7所示。由圖5和圖6可知，腐蝕后掛片表面出現大量腐蝕結垢產物，并且分布較為密集，腐蝕的點大小相近。腐蝕產物的主要組成為Ca、O、Fe，說明在基體表面出現結垢產物，但是腐蝕產物結垢較疏松，沒有在基體表面形成完整的產物膜對基體保護弱。引起腐蝕的主要因素為溶解氧，腐蝕產物主要為Fe₂O₃，結垢產物主要為CaCO₃。

3 "結 論

1）關中地區某小區地熱水成弱堿性，成垢陰離子含量高，Cl^–含量為2"144.73"mg·L^-1，腐蝕趨勢為中等腐蝕趨勢，易引起管道材料的腐蝕。

2）N80鋼在該地熱水環境中的耐腐蝕性較好，腐蝕后期基體表面形成一層致密的保護膜附著在碳鋼表面，減緩碳鋼被腐蝕。隨著溫度升高，Cl^-在金屬表面的積聚，導致鋼材表面逐漸出現點蝕。

3）N80鋼在該地熱水中為均勻腐蝕，腐蝕速率隨溫度升高而升高，腐蝕產物的主要組成元素為Ca、O、Fe，引起腐蝕的主要因素為地熱水中的溶解氧。當地熱水溶液中溶液氧的濃度差存在時，碳鋼管道將會形成許多腐蝕原電池。

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Study on Corrosion and Scaling Behavior of N80 Carbon Steel

in Geothermal Water Environment

GAO Junzhe¹， GAO Shuai²， GAO Xiaojian²， SUN Yuqiang²， MA Yun¹

（1. Shaanxi Key Laboratory of Advanced Stimulation Technology for Oil amp; Gas Reservoirs， Institute of Petroleum Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an Shaanxi 710065， China;

2. The Second Gas Production Plant， Changqing Oil Field， CNPC， Yulin Shaanxi 718500， China）

Abstract： In order to ensure the efficient utilization of shallow geothermal resources in Guanzhong area， the corrosion and scaling behavior of N80 steel in geothermal water in Guanzhong area is investigated with respect to the corrosion and scaling phenomenon during the development of geothermal water in this area. Firstly， the corrosion and scaling trend of geothermal water was analyzed by water quality analysis method and Larson index method， then the corrosion and scaling behavior of carbon steel in geothermal water was analyzed by electrochemical method and weight loss method， and finally the corrosion and scaling characterization of N80 specimen was carried out by scanning electron microscopy and energy spectrum analysis. The results show that： Guanzhong region， a district geothermal water scaling anion content is high， Cl^-"content of 2"144.73"mg·L^-1， the corrosion trend for the medium corrosion corrosion trend.N80 steel in the geothermal water environment of corrosion resistance is good， in the geothermal water for the homogeneous corrosion， the corrosion rate with the increase in temperature increases， corrosion products of the main components of the elements for Ca， O"and"Fe.

Key words： Geothermal water; Carbon steel; Electrochemical corrosion; Weight loss method