不同溫度下CO2對輸油換熱設(shè)備腐蝕行為的影響

張安妮，楊曉冬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

不同溫度下CO2對輸油換熱設(shè)備腐蝕行為的影響

張安妮，楊曉冬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

本文針對延長石油管道運輸公司換熱器進行腐蝕部位取樣，對目前常用的3種換熱設(shè)備材料20#鋼、304不銹鋼、316不銹鋼進行研究，采用極化曲線測試法研究不同pH下溫度對腐蝕速率的影響，對3種材料進行腐蝕性能對比，確定此3種材料的腐蝕性能。

換熱器；腐蝕；極化曲線

本文主要根據(jù)延長石油管道運輸公司使用的管式換熱器來研究。換熱器管束的腐蝕已威脅到延長石油管道運輸公司的安全生產(chǎn)和正常運輸，因此實施有效的防腐措施已刻不容緩[1-3]。針對這一狀況，為了減少各方面經(jīng)濟損失，需要對換熱管原油中的二氧化碳等的腐蝕進行具體的研究分析，總結(jié)其腐蝕規(guī)律，為后續(xù)的防腐工作提供有利的參考。

1 實驗材料

HH-2電熱恒溫水浴鍋、DHG-9070干燥箱、FA1004B電子分析天平、CS310電化學(xué)工作站。

二氧化碳、氯化鈉、氫氧化鈉、稀鹽酸、硫酸鈉、硫酸鉀、無水乙醇、環(huán)氧樹脂等。

20#鋼，304不銹鋼，316不銹鋼。

2 試驗步驟

將3種試樣分別加工成Ф11.3cm×3cm的小圓柱形狀，用釬焊（如錫焊）或點焊的方法將導(dǎo)線焊在試樣上，使最終暴露的試驗面積為1cm2，非試驗面部分和導(dǎo)線用環(huán)氧樹脂、乙烯樹脂或石蠟松香混熔物等絕緣物進行涂覆密封或可鑲嵌。使用前將供試樣的工作面表面依次用400#、600#、800#、1000#和1200#砂紙逐級打磨，用蒸餾水沖洗后丙酮除油除水。

試驗介質(zhì)為模擬輸油管道換熱設(shè)備中含CO2的腐蝕溶液。參照延長石油管道運輸公司輸送的原油配制試驗用模擬溶液，主要考慮原油中含量比較高的Cl-和。模擬溶液用分析純NaCl和Na2SO4配制，水為去離子水。飽和二氧化碳溶液配制時先通二氧化碳氣體30min，再將電極接入電路系統(tǒng)，根據(jù)實驗需要取一定量準(zhǔn)備好的溶液放入測試瓶中，將探頭放入測試溶液中，密封好，穩(wěn)定后進行測試，數(shù)據(jù)記錄由計算機自動完成。

3 不同pH下溫度對腐蝕的影響

通過CS310的三相電化學(xué)測試系統(tǒng)，得到了不同pH值和不同溫度下的3種材料的極化曲線圖。圖1為pH=5時，不同材質(zhì)在不同溫度下的極化曲線圖。

圖1 pH=5時20#鋼、304不銹鋼、316不銹鋼在不同溫度下的極化曲線圖

pH為5時，各種材質(zhì)在不同溫度下的極化曲線通過Tafel擬合，得到的結(jié)果如表1所示。

從表1看出，當(dāng)溶液pH=5時，隨著溫度升高，20#不銹鋼、304不銹鋼的腐蝕速率增大，20#不銹鋼、304不銹鋼的耐腐蝕能力下降，當(dāng)溫度升高到70℃時，其穩(wěn)態(tài)腐蝕電位相比40℃時大幅度降低，說明此時鈍化膜破壞嚴(yán)重，溫度升高不利于鈍化膜的形成和穩(wěn)定，使得不銹鋼耐點蝕能力下降。316不銹鋼的腐蝕速率在60℃時達到最大，此時鈍化膜遭到嚴(yán)重破壞，在70℃時有所降低，說明破壞的鈍化膜在逐漸修復(fù)過程中。

圖2為pH=7時，不同材質(zhì)在不同溫度下的極化曲線圖。

表1 pH為5時各材質(zhì)的擬合結(jié)果表

圖2 pH=7時20#鋼、304不銹鋼、316不銹鋼在不同溫度下的極化曲線圖

pH=7時各材料在不同溫度下的極化曲線通過Tafel擬合的結(jié)果見表2。

從表2看出，隨著溫度升高，20#鋼、316不銹鋼的腐蝕速率都在不斷增大。由于溫度不斷升高，生成鈍化膜的陽極反應(yīng)、鈍化膜的化學(xué)溶解速率增加，導(dǎo)致陽極電流起伏漲落的絕對數(shù)值增加，F(xiàn)e2+的水解平衡反應(yīng)速率增加，溫度升高促進其水解，有利于自催化作用的加劇，更容易發(fā)生腐蝕。304不銹鋼在40～60℃時，隨著溫度升高，腐蝕速率在緩慢增加，超過70℃后，腐蝕速率急劇增大，說明此時鈍化膜快速溶解。在相同條件下，316比304的腐蝕速率慢得多，最主要的原因是316添加了抗點蝕元素Mo，從而大幅度提高了其抗腐蝕性能，實驗結(jié)果也再次證明了Mo元素的添加有利于提高不銹鋼材料的點蝕溫度抗力。

表2 pH為7時各材質(zhì)的擬合結(jié)果表

圖3為pH=9時，不同材質(zhì)在不同溫度下的極化曲線圖。

圖3 pH=9時20#鋼、304不銹鋼、316不銹鋼在不同溫度下的極化曲線圖

pH=9時的各材料在不同溫度下的極化曲線通過Tafel擬合的結(jié)果見表3。

從表3看出，隨著溫度升高，20#鋼的腐蝕速率在不斷增大，由于溫度升高，鈍化膜表面凹凸不平的現(xiàn)象減弱了溫度對H+擴散的促進作用，最終溫度升高還是表現(xiàn)在對自催化效應(yīng)的增強，促進了腐蝕的發(fā)展。304不銹鋼在50℃時腐蝕速率達到最大，此時304不銹鋼產(chǎn)生的鈍化膜發(fā)生水解，金屬表面產(chǎn)物膜破損，溶液中Cl-、SO42-及 CO2溶于水形成的CO32+活性增加，與鈍化膜中的金屬陽離子結(jié)合成可溶性化合物，形成蝕坑，腐蝕最快，其余隨著溫度升高腐蝕速率同樣在不斷增大。316不銹鋼在溫度為40～60℃時，隨著溫度升高，腐蝕速率增大，但在試驗中溫度達到70℃時腐蝕速率略有下降，主要原因是隨著溫度的升高，Ni、Cr的氧化物和氫氧化物等腐蝕產(chǎn)物的沉積速度也就越快，越有利于生成結(jié)構(gòu)致密的保護性產(chǎn)物膜，此時的產(chǎn)物膜對基體產(chǎn)生保護作用，保護材料表面不受強烈腐蝕。

表3 pH為9時各材質(zhì)的擬合結(jié)果表

4 結(jié)論

1）溫度為40～60℃時，當(dāng)pH較小時，20#鋼會較快進入穩(wěn)定發(fā)展期，腐蝕電流增大的斜率明顯較大，隨pH增大，腐蝕電流增大的斜率會稍有減小。在溫度為70℃時，pH較小時，20#鋼同樣會較快進入穩(wěn)定發(fā)展期，但當(dāng)pH較大時，20#鋼的腐蝕電流會較長時間維持在一個較小的值，且點蝕電流增大的速率較緩慢。

2）溫度為40～60℃時，當(dāng)pH較小時，316不銹鋼會較快進入穩(wěn)定發(fā)展期，腐蝕電流增大的斜率明顯較大，隨pH增大，腐蝕電流增大的斜率會稍有減??；在溫度為70℃且pH較大并不斷增加時，316不銹鋼的腐蝕電流一直維持在一個較小的值，且點蝕電流增大的速率特別緩慢。

3）溫度為40℃、50℃且pH較小時，304不銹鋼會較快進入穩(wěn)定發(fā)展期，腐蝕電流增大的斜率明顯較大，隨pH增大，腐蝕電流變化緩慢，一直處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)溫度為60～70℃時，在較短時間內(nèi)，點蝕電流增大的速率快速，經(jīng)過一段時間304不銹鋼同樣會較快進入穩(wěn)定發(fā)展期，當(dāng)pH較大并不斷增加的過程中，304不銹鋼的腐蝕電流一直維持在一個較小的值，腐蝕電流增大的速率比較緩慢。

[1] 安景武，李小紅.換熱器防腐蝕方法介紹[J].石油化工腐蝕與防護，2001，19(3)：62-64.

[2] 王學(xué)生.化工設(shè)備設(shè)計[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2011.

[3] 鄭津洋.過程設(shè)備設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

Corrosion Characteristics of Oil Pipeline Heat Transfer Equipment

ZHANG Anni, YANG Xiaodong
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

The oil pipeline transport company heat exchanger corrosion site was sampling, according to three kinds of commonly used heat exchanger material 20# steel, 316 stainless steel, 304 stainless steel, the effect of temperature on the corrosion rate under different pH was studied by polarization curve test method. The corrosion resistance of three materials was compared, the corrosion performance was determined.

heat exchanger; corrosion; polarization curves

TG 172.6

A

1671-9905(2017)10-0061-04

2017-06-15