“雙碳”目標(biāo)下的腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)

汪的華，汪沛霖

（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 前 言

自工業(yè)革命以來，溫室氣體排放大幅增加，導(dǎo)致氣候變化問題加劇?？刂铺寂欧攀菓?yīng)對(duì)全球氣候變化的關(guān)鍵措施。習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。碳排放的主要來源是人類在能源獲取、冶金、礦物加工、化工合成等領(lǐng)域中含碳礦產(chǎn)資源的利用。因此，“雙碳”目標(biāo)的落腳點(diǎn)在于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，減少含碳礦產(chǎn)資源的過度利用。這是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)性變革，也會(huì)對(duì)人類的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，其中既有新的挑戰(zhàn)，亦有重大機(jī)遇。

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的核心驅(qū)動(dòng)力在于科技創(chuàng)新，需要全行業(yè)群策群力，加強(qiáng)技術(shù)合作與創(chuàng)新集成。主要有以下關(guān)鍵技術(shù)亟待發(fā)展：（1）減少化石能源消耗與提高能源效率；（2）清潔能源的開發(fā)與利用；（3）開發(fā)低碳新工藝和資源高效循環(huán)利用技術(shù)；（4）開發(fā)碳捕集、固定及資源化利用新技術(shù)。在這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展中，材料腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)作為資源開發(fā)、能源利用、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的重要支撐性技術(shù)又將面臨哪些挑戰(zhàn)與機(jī)遇？

1 腐蝕防護(hù)增效減碳

據(jù)《中國(guó)腐蝕調(diào)查報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因?yàn)楦g所造成的經(jīng)濟(jì)損失，占國(guó)民生產(chǎn)總值的5%左右。腐蝕問題不僅帶來了資源浪費(fèi)，更因此大幅增加材料制備加工領(lǐng)域的碳排放量。因此，更高效地實(shí)施材料腐蝕防護(hù)，可以為減碳降污做出顯著貢獻(xiàn)。中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放量約占全國(guó)碳排放總量的15%左右，是制造業(yè)31個(gè)門類中碳排放量最大的行業(yè)[1]。而每年鋼鐵腐蝕的損失高達(dá)產(chǎn)量的1/10。每生產(chǎn)1噸鋼，會(huì)排放1.5-2.0噸CO2，以年產(chǎn)10億噸鋼材計(jì)算，若腐蝕防護(hù)效能提高1個(gè)百分點(diǎn)，則可以節(jié)約鋼材100萬噸，減排CO2可達(dá)150萬噸，相當(dāng)于100萬輛家用橋車的年排放量。2019年，我國(guó)電解鋁產(chǎn)量為3593萬噸。按照生產(chǎn)一噸電解鋁約需消耗13500 kWh電能進(jìn)行測(cè)算，行業(yè)總耗電約為4850.6億kWh，占2019年我國(guó)全社會(huì)用電量72255億kWh的6.7%。采用火力發(fā)電，每生產(chǎn)1噸鋁會(huì)產(chǎn)生約13噸CO2。如果提高電解效率降低能耗，并采用惰性陽極電解減少陽極CO2排放，可以實(shí)現(xiàn)鋁電解工業(yè)的大規(guī)模減排，但惰性陽極的研發(fā)目前仍受到高溫熔鹽中富氧強(qiáng)極化工作環(huán)境的挑戰(zhàn)。

2 關(guān)鍵設(shè)備能源效率提升

我國(guó)工業(yè)碳排放約占排放總量的44%[2]，工業(yè)過程的優(yōu)化提升與構(gòu)建綠色低碳的工業(yè)體系是實(shí)現(xiàn)“碳減排”的關(guān)鍵手段。

采用新型熱力循環(huán)與高效熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電，有效提高能源利用效率，減少碳排放。超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)、超臨界CO2循環(huán)高效燃煤發(fā)電技術(shù)是未來清潔高效發(fā)電技術(shù)的熱點(diǎn)研究方向[3]。在這兩項(xiàng)發(fā)電技術(shù)中，設(shè)備承壓部件材料的化學(xué)穩(wěn)定性及可靠性是亟待解決的問題，這涉及到材料的高溫氧化、高溫CO2腐蝕、蠕變、疲勞及其相互作用，明確高溫合金的應(yīng)力作用機(jī)制、蠕變疲勞交互作用、腐蝕壽命預(yù)測(cè)等問題是關(guān)鍵。

在電力配送輸運(yùn)領(lǐng)域，為提高輸變電效率，我國(guó)正積極加強(qiáng)電網(wǎng)互聯(lián)、提升大容量遠(yuǎn)距離輸電能力，發(fā)展特高壓輸電技術(shù)。電網(wǎng)工程覆蓋區(qū)域廣闊，電網(wǎng)設(shè)備所處自然環(huán)境腐蝕規(guī)律與特征具有明顯的地域差異，不同大氣、土壤等自然環(huán)境類型導(dǎo)致電網(wǎng)戶外設(shè)備的材料腐蝕及使用壽命差別很大。這也為電網(wǎng)工程建設(shè)中的選材和腐蝕防護(hù)工作提出了新的挑戰(zhàn)。

3 清潔能源的開發(fā)與利用

高比例清潔能源系統(tǒng)被認(rèn)為是引領(lǐng)全球能源向綠色低碳轉(zhuǎn)型的主體[4]。目前，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重日益增加，預(yù)計(jì)到2025年可再生能源將成為世界第一大電力來源，到2050年占到發(fā)電量的近90%、能源供應(yīng)總量的2/3。以可再生能源、先進(jìn)核能、氫能、儲(chǔ)能技術(shù)為代表的零碳排關(guān)鍵技術(shù)是建設(shè)低碳綠色能源體系、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的核心工作。

3.1 清潔能源發(fā)電技術(shù)中的腐蝕防護(hù)問題

可再生能源主要包括太陽光/熱能、水能、海洋能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。其各自的開發(fā)過程中也給材料腐蝕科學(xué)和防護(hù)技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

太陽能光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，其應(yīng)用過程中主要涉及到光伏發(fā)電系統(tǒng)混凝土樁基腐蝕，接地螺栓腐蝕、電路板腐蝕、電子元件腐蝕、電池組件腐蝕等腐蝕問題。太陽能光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的工藝。其中最主要的傳熱介質(zhì)為高溫熔鹽，會(huì)對(duì)熔鹽罐體、管道、閥門、換熱器組件造成嚴(yán)重的腐蝕失效。

水力發(fā)電的原理是利用水的位能轉(zhuǎn)為水輪的機(jī)械能，再以機(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)，而得到電力。其中水輪機(jī)、壓力鋼管等設(shè)備會(huì)受到水流泥沙的沖刷磨損的影響，也會(huì)在潮濕大氣或干濕交替工況下受到銹蝕。海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能等，在這類能源的開發(fā)過程中，其能量轉(zhuǎn)化設(shè)備主要受到海水腐蝕、生物污損、腐蝕疲勞及其耦合作用。風(fēng)能主要分為陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電兩部分，其中海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備所處環(huán)境更為復(fù)雜。海洋大氣區(qū)高濕度、高鹽霧、長(zhǎng)日照，浪花飛濺區(qū)干濕交替，水下區(qū)海水浸泡、生物附著等，苛刻的腐蝕環(huán)境對(duì)海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕防護(hù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

地?zé)岚l(fā)電是把地下熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)。由于地?zé)嵴羝泻袕?qiáng)腐蝕性的硫化氫 、二氧化碳等氣體，以及其它有害雜質(zhì)如致使地?zé)犭娬驹O(shè)備發(fā)生腐蝕。

核能發(fā)電是利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱能進(jìn)行發(fā)電的方式。核電設(shè)備的腐蝕主要包括核反應(yīng)堆壓力容器腐蝕、蒸汽發(fā)生器傳熱管道腐蝕、換熱器腐蝕、核反應(yīng)堆堆芯材料腐蝕等[5]。由于核設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫高壓流動(dòng)水或飽和蒸汽、310～330℃高溫、15.5 MPa 高壓、復(fù)雜工作應(yīng)力以及強(qiáng)烈輻照等運(yùn)行工況下。尤其管路雜質(zhì)沉積容易引起塞積、應(yīng)力腐蝕開裂。這些局部腐蝕、磨蝕、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕，輻照脆化等老化現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備整體或部分部件功能失效而引發(fā)事故。其次，大多數(shù)核電站建于海邊，核電設(shè)備長(zhǎng)期受到海水的侵蝕。

頁巖氣、煤層氣、致密（油）氣、可燃冰等非常規(guī)能源潛力巨大，同樣有著重要的戰(zhàn)略地位。而在這類非常規(guī)能源的開采利用過程中會(huì)涉及到開采與輸運(yùn)設(shè)備在高溫高壓和復(fù)雜化學(xué)環(huán)境條件下的多相流腐蝕問題。

3.2 清潔能源電力利用技術(shù)中的腐蝕防護(hù)問題

氫能是未來碳中和社會(huì)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)，而采用可再生能源電解水制備“綠氫”尤其是未來的發(fā)展趨勢(shì)[6]。氫氣的規(guī)模制備、儲(chǔ)運(yùn)與利用過程中都為腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)的發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。上游氫氣的電解制備中，電解槽體腐蝕、極板腐蝕、陰陽極催化劑穩(wěn)定性下降、隔膜材料腐蝕等問題都限制著電解設(shè)備的長(zhǎng)效穩(wěn)定性。中國(guó)科協(xié)發(fā)布的2020重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題中，其中第8條就是如何在可再生能源規(guī)?；娊馑茪渖a(chǎn)中實(shí)現(xiàn)“大規(guī)模” “低能耗” “高穩(wěn)定性”三者的統(tǒng)一？中游氫氣的輸運(yùn)過程中會(huì)對(duì)輸運(yùn)管道造成氫腐蝕/氫脆失效。下游加氫及氫氣綜合利用過程中，加氫站設(shè)備也涉及氫脆失效風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)造成重大安全事故。氫氣利用設(shè)備如燃料電池中也存在著催化劑穩(wěn)定性下降、集流體失效、隔膜材料失效等腐蝕問題。

燃料電池是一種將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其發(fā)電不受卡諾循環(huán)的限制。目前常見的燃料電池有質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池三類，這三類燃料電池的應(yīng)用過程中都涉及到設(shè)備和催化劑的腐蝕及失效問題。質(zhì)子交換膜燃料電池處于弱酸性服役環(huán)境中，且可能存在一些等雜質(zhì)離子，金屬雙極板腐蝕、質(zhì)子交換膜腐蝕、陰陽極催化劑脫落等限制著電池設(shè)備的長(zhǎng)效穩(wěn)定性。熔融碳酸鹽燃料電池處于高溫熔鹽介質(zhì)中，其主要腐蝕問題為殼體材料、集流體材料的腐蝕以及陰極NiO催化劑的溶解失效。固體氧化物燃料電池處于高溫CO2、 H2O 服役環(huán)境中，會(huì)對(duì)陰陽極金屬連接體材料造成高溫氧化、碳化失效，并因此對(duì)催化劑造成毒化。

風(fēng)能、太陽能和海洋能等可再生能源發(fā)電會(huì)受到季節(jié)、氣象和地域條件的影響，具有明顯的不連續(xù)、不穩(wěn)定性特征，會(huì)影響電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。配套大規(guī)模高效儲(chǔ)能裝置，可以解決發(fā)電與用電的時(shí)差矛盾及間歇式可再生能源發(fā)電直接并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊[7]。目前常見的大規(guī)模儲(chǔ)能電池有Na-S電池、液態(tài)金屬電池、液流電池等。這類高溫電池的正、負(fù)極活性物質(zhì)通常具有較強(qiáng)的腐蝕性，液態(tài)電極、電解液對(duì)電池殼體材料、電池集流體材料的腐蝕也催生了極端服役條件下材料的失效機(jī)制科學(xué)問題[8]。

電解工藝在電解水、氯堿工業(yè)、電冶金、電鍍、污水處理、電解防污等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，隨著可再生能源電力的大力發(fā)展，一些新興電解工藝如固體氧化物電解、熔融碳酸鹽綠色冶金等也在助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。電極是電解工藝的關(guān)鍵部件，陰陽極在電化學(xué)極化作用之下，會(huì)發(fā)生重構(gòu)，甚至損壞。因此，明確電極的失效機(jī)制，尋求長(zhǎng)效穩(wěn)定的電極材料是關(guān)鍵。

4 二氧化碳的捕集封存與利用中的腐蝕防護(hù)問題

碳捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)是構(gòu)建負(fù)碳排放體系的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)技術(shù)組合的重要組成部分，而CCUS技術(shù)中CO2捕集、輸運(yùn)、封存、利用設(shè)備的穩(wěn)定性均會(huì)受到介質(zhì)腐蝕的影響，這是制約CCUS規(guī)?；l(fā)展與應(yīng)用的瓶頸。例如：在CO2捕集的幾種方式中，富氧燃燒過程中裝置存在高溫氧化與碳化問題，胺法CO2吸收塔存在碳鋼結(jié)構(gòu)材料的腐蝕問題。

此外，在CCUS技術(shù)鏈中，CO2輸運(yùn)環(huán)節(jié)承接著CO2捕集端與封存、利用端，管道是實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)距離大規(guī)模 CO2輸送的最可行的方法，但捕集的 CO2流體中通常包含一些腐蝕性雜質(zhì)（如 H2O、O2、SOx、H2S、酸等）。這些雜質(zhì)與壓縮的 CO2（如超臨界狀態(tài)）一起引入 CO2輸送和 CO2封存設(shè)備中，將大大增加管道及封存設(shè)備的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

CO2利用包含地質(zhì)資源利用、化工利用等。地質(zhì)資源利用主要是利用二氧化碳驅(qū)油、驅(qū)水，強(qiáng)化石油開采，充分利用地下水資源，在此途徑中地質(zhì)封存井的土壤腐蝕防護(hù)是關(guān)鍵。隨著可再生能源電力的蓬勃發(fā)展，CO2的電化學(xué)還原受到越來越多的關(guān)注。常見的CO2電化學(xué)還原體系包括常溫水溶液體系、離子液體體系、高溫熔鹽體系、固體氧化物電解質(zhì)體系等。水溶液及離子液體體系中陰極催化劑的穩(wěn)定性是電解正常運(yùn)行的關(guān)鍵，有報(bào)道稱Cu基催化劑會(huì)在陰極極化下發(fā)生表面重構(gòu)與最終失效。近些年來，高溫熔鹽因其較大的CO2吸收容量與高溫下較快的電化學(xué)還原動(dòng)力學(xué)而被用作CO2捕集及資源化利用的有效介質(zhì)，CO2可以被高溫熔鹽捕集隨后被電化學(xué)還原為碳質(zhì)產(chǎn)品并獲得副產(chǎn)物氧氣[9]。而在此電解裝置中，電解槽的結(jié)構(gòu)材料和陽極材料的篩選受到熔鹽腐蝕的挑戰(zhàn)。因此，明確金屬材料在高溫熔鹽中的失效機(jī)制及防護(hù)策略是推廣熔鹽CO2捕集及電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的重要前提。此外，同樣有著較高服役溫度的固體氧化物電解槽中結(jié)構(gòu)材料也面臨著材料高溫氧化的挑戰(zhàn)，且服役環(huán)境中通常含有CO2與 H2O，高溫合金的耐腐蝕性和力學(xué)性能都影響著電解槽長(zhǎng)效穩(wěn)定性。

5 總結(jié)與展望

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，關(guān)鍵在于通過低碳流程再造、零碳能源重構(gòu)、負(fù)碳體系構(gòu)建等技術(shù)途徑逐步降低對(duì)含碳礦產(chǎn)資源的依賴程度。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，材料腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)在提高材料利用率、提升關(guān)鍵設(shè)備能源效率、清潔能源的開發(fā)和利用、二氧化碳的捕集封存與利用四大領(lǐng)域具有重要支撐作用，廣大腐蝕防護(hù)工作者迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也面臨著新的挑戰(zhàn)，一系列新生的極端條件下的材料腐蝕防護(hù)科學(xué)問題亟待解決。