濃縮倍率對金屬銅腐蝕行為的影響

程 鵬 黃先球 付朝陽

（1.武鋼研究院 湖北 武漢：430080；2.華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 湖北 武漢：430074）

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)因其運行可靠、節(jié)約能源、投資較少、便于管理等特點得到了廣泛的應(yīng)用。金屬銅因其良好的機械性能、塑性好、導(dǎo)熱性、可焊接性、耐腐蝕等特點成為中央空調(diào)系統(tǒng)換熱管設(shè)備和管道的主要材料。但金屬銅屬于活潑金屬，其化學(xué)性質(zhì)不是十分穩(wěn)定，在中央空調(diào)系統(tǒng)的中性循環(huán)水系統(tǒng)中非常容易出現(xiàn)腐蝕問題［1－3］。金屬銅的腐蝕導(dǎo)致設(shè)備能耗提高、失效、腐蝕破壞等問題以及所造成的直接和間接經(jīng)濟損失相當(dāng)巨大，因此必須加強研究中央空調(diào)水系統(tǒng)的腐蝕問題，并積極尋找解決的辦法［4］。溶液濃縮倍率是中性介質(zhì)溶液中腐蝕的主要影響因素之一，本文采用失重法和電化學(xué)方法研究了模擬自來水環(huán)境中金屬銅在不同濃縮倍率溶液中的腐蝕行為，研究結(jié)果對空調(diào)水系統(tǒng)管道的腐蝕與防護具有較大的理論和現(xiàn)實意義。

1 試驗部分

1.1 失重法

試驗基材為金屬銅，其化學(xué)成分見表1。按照GB／T18175－2000《水處理劑緩蝕性能的測定旋轉(zhuǎn)掛片法》，采用旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗儀進行失重法試驗，試樣尺寸為50mm×10mm×2mm，試樣經(jīng)丙酮除油、乙醇清洗等表面處理后放入真空干燥器中備用。實驗介質(zhì)為模擬自來水樣，通過改變?nèi)芤褐须x子的濃度來配制不同濃縮倍率的試驗溶液，試驗溫度為15℃，流速為0.8m／s，掛片時間為168h。實驗結(jié)束后，從旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗儀中取出試片，用酸液、堿液和乙醇對試樣進行表面處理，冷風(fēng)干燥后置于真空干燥器中24小時后稱重。

表1 金屬銅試片化學(xué)成分

平均腐蝕速率按式（1）進行計算

式中：Vcorr為平均腐蝕速率（mm／a）；ΔW 為平均失重（g）；s為試片面積（cm2）；t為試驗周期（h）。

1.2 電化學(xué)測試

采用CS350電化學(xué)工作站進行電化學(xué)測試。采用經(jīng)典三電極體系，以圓柱體型的金屬銅試樣作為工作電極，用環(huán)氧樹脂封閉后保留0.785cm2的工作面積，輔助電極采用Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。

動電位極化曲線測試的掃描速度為0.5mV／s，掃描范圍為相對自腐蝕電位±100mV。在開路電位下進行電化學(xué)阻抗譜的測量，測量頻率范圍為10kHz－10MHz，施加幅值為5mV的正弦擾動。

2 結(jié)果與討論

2.1 失重法

2.1.1 宏觀腐蝕形貌

金屬銅在不同濃縮倍率模擬溶液中腐蝕試驗后的宏觀腐蝕形貌見圖1

圖1 不同濃縮倍率溶液中銅的宏觀腐蝕形貌

2.1.2 溶液濃縮倍率對銅腐蝕速率的影響

根據(jù)溫度45℃、流速為0.8m／s時金屬銅的腐蝕失重實驗數(shù)據(jù)，做出金屬銅與水樣濃縮倍率（n）的腐蝕速率關(guān)系曲線。結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同濃縮倍率水樣中銅的腐蝕速率

對圖2中數(shù)據(jù)進行多項式擬合，得到溶液濃縮倍率n與腐蝕速率Vcorr的關(guān)系式為：

由圖1和2可見，金屬銅的腐蝕隨著溶液濃縮倍率的增大逐漸加劇，腐蝕速率逐漸加快，分析造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于隨著溶液濃縮倍率的增大，溶液中離子濃度增大，更多的氯離子等腐蝕性離子參與到電化學(xué)反應(yīng)過程，導(dǎo)致金屬銅的腐蝕速率加快。

2.2 電化學(xué)測試

2.2.1 極化曲線

金屬銅在不同濃縮倍率溶液中的動電位掃描極化曲線如圖3所示，所得相關(guān)電化學(xué)參數(shù)見表2。

圖3 銅在不同濃縮倍率水樣中的極化曲線

表2 不同濃縮倍率下銅的極化曲線擬合參數(shù)

從圖3和表2可以看出，銅在模擬水樣中的自腐蝕電位隨著溶液濃縮倍率的增大逐漸降低，而腐蝕電流密度Icorr則逐漸增大，分析造成這種現(xiàn)象的原因是，隨著溶液濃縮倍率的增大，溶液中腐蝕離子濃度增大，電極反應(yīng)的活化分子數(shù)增加，使得電極反應(yīng)動力增強，在擴散作用下更多的氯離子擴散到金屬銅表面的陰極區(qū)［5－6］，導(dǎo)致銅的腐蝕速率加快。

2.2.2 電化學(xué)阻抗譜

不同濃縮倍率溶液條件下，金屬銅的電化學(xué)阻抗譜見圖4。圖5為其等效電路圖，其中Rs為溶液電阻，Rcoat為膜電阻，Rt為電荷傳遞電阻，Cdl為雙電層電容，CPE為常相位角元件，相關(guān)電化學(xué)解析數(shù)據(jù)見表3。

圖4 不同溫度下銅的電化學(xué)阻抗譜圖

圖5 電化學(xué)等效電路圖

表3 電化學(xué)等效電路解析數(shù)據(jù)

由圖4可見電化學(xué)阻抗譜中出現(xiàn)兩個容抗弧，其中低頻容抗弧反應(yīng)的是電極反應(yīng)的法拉第過程，由膜電容和膜層阻抗引起，高頻容抗弧是由雙電層電容引起的［7－8］。由電化學(xué)等效電路解析數(shù)據(jù)可見，膜電阻（Rcoat）隨著溶液濃縮倍率的增大而逐漸減小，表明電極反應(yīng)的阻力在減小，導(dǎo)致金屬銅的腐蝕速率加快。電化學(xué)試驗的結(jié)果與失重法的腐蝕趨勢相一致。

3 結(jié)論

（1）溶液的濃縮倍率對中央空調(diào)水系統(tǒng)中金屬銅的腐蝕行為有較大影響，溶液濃縮倍率增大，將導(dǎo)致溶液中腐蝕離子濃度增加，參與電極反應(yīng)的腐蝕離子濃度增大，因而加速了銅的腐蝕。

（2）從電化學(xué)試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著溶液濃縮倍率的增大，溶液中離子濃度增大，更多的離子擴散到銅表面，電極反應(yīng)的活化分子數(shù)增加，電極反應(yīng)動力增強，膜電阻減小，電極反應(yīng)阻力減小，金屬銅的腐蝕速率逐漸加快。

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