磁化水對(duì)金屬耐蝕性能的影響

宋 飛，葛紅花，范秀方，鄧宇強(qiáng)，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(xué)院，上海高校電力腐蝕控制與應(yīng)用電化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海熱交換系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心，上海200090；3.華能日照電廠檢修部，日照276826）

有關(guān)磁化水對(duì)金屬腐蝕性的研究較少，對(duì)其作用機(jī)理及作用效果也沒(méi)有統(tǒng)一的說(shuō)法。有學(xué)者認(rèn)為磁化水可以減緩金屬的腐蝕，也有學(xué)者則認(rèn)為磁化水可加速金屬在介質(zhì)中的腐蝕速率。以鐵為例，大多認(rèn)為，當(dāng)水體經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，在洛倫茲力的作用下，水體中的帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)及形變，從而使疏松的Fe2O3·nH2O轉(zhuǎn)化為穩(wěn)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(hù)層，使金屬與水中的氧完全隔離，從而達(dá)到抑制金屬腐蝕的目的。Sueptitz等［2］通過(guò)研究磁場(chǎng)對(duì)鐵在硫酸溶液中自腐蝕電位的影響、磁場(chǎng)對(duì)離子在溶液中傳質(zhì)過(guò)程的影響以及磁場(chǎng)對(duì)溶液中氫離子濃度的影響，解釋了磁場(chǎng)抑制金屬鐵腐蝕的機(jī)理。Chouchane等［3］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在25℃下、3%的NaCl溶液中，磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)可以顯著改善鋅鎳合金的耐腐蝕性。Zubiate等［4］的試驗(yàn)表明，在溫度為80℃，流速為0.77m／s條件下，模擬水經(jīng)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(zhì)量濃度的NaCl溶液中磁場(chǎng)對(duì)銅鈹合金的腐蝕影響，發(fā)現(xiàn)銅鈹合金的腐蝕性與NaCl溶液的濃度有關(guān)，當(dāng)NaCl溶液的質(zhì)量濃度為1%、4%時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)銅鈹合金具有加速腐蝕作用，而當(dāng)NaCl溶液的質(zhì)量濃度為3%時(shí)，磁場(chǎng)可以抑制銅鈹合金的腐蝕。

以上結(jié)果表明，磁化水可以影響金屬的耐蝕性。但多數(shù)研究主要集中在中性介質(zhì)和常溫條件下進(jìn)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(shù)，已應(yīng)用于電廠水處理設(shè)備如反滲透設(shè)備的結(jié)垢控制。此外，磁化水對(duì)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(huán)境中的耐蝕性。本工作利用高壓釜模擬高溫高壓環(huán)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(shù)的應(yīng)用對(duì)鍋爐系統(tǒng)金屬耐蝕性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)藥品及儀器

試驗(yàn)藥品：氨水（分析純），自制高純水。

試驗(yàn)儀器：PARSTAT 2273電化學(xué)工作站（美國(guó)AMETEK公司）、KCFD2-10高壓反應(yīng)釜（煙臺(tái)松嶺化工設(shè)備有限公司）、磁處理器、DDS-11A型電導(dǎo)率儀（上海雷磁新涇儀器有限公司）、動(dòng)態(tài)循環(huán)裝置。

1.2 試驗(yàn)方法

分別取1L未經(jīng)磁化處理和經(jīng)磁化處理的除鹽水，用氨水調(diào)節(jié)pH至9.0，倒入高壓反應(yīng)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(jí)打磨至6號(hào)，酒精棉擦拭后放入高壓反應(yīng)釜的氣相試片架中，密封高壓反應(yīng)釜，通入氮?dú)獬?0min后，開(kāi)始升溫至300℃，恒溫1h后自然冷卻，待反應(yīng)釜內(nèi)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(dǎo)線，用環(huán)氧樹(shù)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(diào)節(jié)pH至9.0作為測(cè)試溶液，在PARSTAT 2273電化學(xué)分析儀上測(cè)試金屬的極化曲線與電化學(xué)阻抗譜。極化曲線測(cè)試掃描速率為1mV／s；電化學(xué)阻抗測(cè)試頻率范圍為50mHz～100kHz，交流激勵(lì)信號(hào)幅值5mV，并采用ZsimpWin軟件對(duì)電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁化處理對(duì)20G鋼耐蝕性能影響

圖1為20G在未經(jīng)磁化處理和經(jīng)磁化處理模擬水溶液中的極化曲線，表1為通過(guò)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(guò)鈍化電位Etp。

圖1 20G鋼電極在未經(jīng)磁化處理和經(jīng)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(shù)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(yáng)極極化區(qū)均出現(xiàn)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(guò)程。

結(jié)合表1可知，在經(jīng)磁化處理的模擬鍋爐水環(huán)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(shuō)明磁化處理可促進(jìn)20G鋼的鈍化，電極的耐蝕性能提高。

圖2為20G鋼在未經(jīng)磁化處理和經(jīng)磁化處理的模擬鍋爐水溶液中的電化學(xué)阻抗譜。

對(duì)于有保護(hù)膜覆蓋的金屬的腐蝕過(guò)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(zhuǎn)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(jīng)磁化處理和經(jīng)磁化處理模擬鍋爐水溶液中的電化學(xué)阻抗譜參數(shù)。

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

圖3 電化學(xué)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(jīng)磁化處理和經(jīng)磁化處理的測(cè)試液中的電化學(xué)阻抗譜參數(shù)Tab.2 The EIS parameters of 20g steel in test solution with and without magnetized treatment

由表2可見(jiàn)，20G鋼電極表面的膜電阻R2遠(yuǎn)大于電荷轉(zhuǎn)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(duì)離子擴(kuò)散的阻隔作用。電荷轉(zhuǎn)移電阻R1小而雙電層電容Y1值較大，說(shuō)明在鈍化膜／測(cè)試液界面電荷轉(zhuǎn)移過(guò)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(shuō)明模擬鍋爐水無(wú)論是否經(jīng)過(guò)磁化處理，20G鋼電極表面均有保護(hù)性能良好的鈍化膜生成，但經(jīng)磁化處理后膜電阻顯著增大，說(shuō)明磁化處理可以促進(jìn)20G鋼電極表面鈍化膜的生長(zhǎng)，如增加其厚度或提高其致密度。此外經(jīng)磁化處理后膜電容（用常相角元件表示）參數(shù)n2值顯著增大且接近于1，說(shuō)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(duì)316L不銹鋼耐蝕性能影響

圖4為316L不銹鋼電極在未經(jīng)磁化處理和經(jīng)磁化處理的模擬鍋爐水溶液中的極化曲線，表3為通過(guò)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(jīng)磁化處理和經(jīng)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(jīng)磁化處理的模擬鍋爐水中316L不銹鋼出現(xiàn)了輕微的鈍化現(xiàn)象，但隨著電位的升高，其鈍態(tài)電流密度緩慢增大，鈍化膜性能變差；模擬鍋爐水經(jīng)磁化處理后，沒(méi)有發(fā)生明顯的促進(jìn)316L不銹鋼鈍化的現(xiàn)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(shuō)明其自身的耐蝕性能較好。但在經(jīng)磁化處理后的試驗(yàn)溶液中不銹鋼電極的腐蝕電流密度有所增大，說(shuō)明磁化處理未能增強(qiáng)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(shuō)明磁化處理未能提高316L不銹鋼的耐蝕性。

綜上所述，在經(jīng)過(guò)除氧的模擬鍋爐水環(huán)境中，20G鋼、316L不銹鋼表面均發(fā)生鈍化，比較兩種材料在鈍化電位為0.2V下的鈍態(tài)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(jīng)磁化處理的試驗(yàn)溶液中相比，20G鋼電極在經(jīng)磁化處理的試驗(yàn)溶液中的鈍態(tài)電流密度減小到0.41μA·cm-2，即降低了34%，說(shuō)明溶液經(jīng)磁化處理對(duì)20G鋼電極耐蝕性能的提高較顯著。316L不銹鋼電極的鈍態(tài)電流密度較小，說(shuō)明該材料耐蝕性能較好。316L不銹鋼電極的在經(jīng)磁化處理前后試驗(yàn)溶液中的鈍態(tài)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(guān)系，在經(jīng)過(guò)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(tài)受到一定影響，磁處理使其鈍態(tài)電流密度略有增大，有關(guān)其作用機(jī)理還有待進(jìn)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(tài)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(jié)論

（1）極化曲線顯示在模擬鍋爐水環(huán)境中20G鋼表面發(fā)生鈍化，溶液磁化處理可促進(jìn)20G鋼的鈍化，電極耐蝕性能提高。電化學(xué)阻抗譜及其擬合參數(shù)顯示，20G鋼電極的耐蝕性能主要來(lái)自鈍化膜對(duì)離子擴(kuò)散的阻隔作用，磁化處理可以促進(jìn)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(xué)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(tài)電流密度可以看出，316L不銹鋼的耐蝕性能較好，在經(jīng)磁化處理后的溶液中，20G鋼電極的耐蝕性能與不銹鋼接近。

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