任 科，巨熔冰

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710065）

化學(xué)工程

Q245R/316L與Q345R/316L電偶對(duì)在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕

任 科，巨熔冰

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710065）

針對(duì)石油化工行業(yè)異種金屬聯(lián)合使用產(chǎn)生的電偶腐蝕情況，采用電化學(xué)方法，研究了Q245R/316L和Q345R/316L電偶對(duì)在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)行為。結(jié)果表明：316L不銹鋼自腐蝕電位遠(yuǎn)高于Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼的自腐蝕電位，偶接后會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，且Q345R/316L電偶對(duì)發(fā)生電偶腐蝕傾向略大于Q245R/316L；316L不銹鋼易鈍化，而Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼則比較活潑；316L不銹鋼受鈍化產(chǎn)生的鈍化膜的影響，開路電位下測(cè)得的自腐蝕電位值一般比采用動(dòng)電位極化測(cè)量的值大；Q345R/316L電偶對(duì)發(fā)生電偶腐蝕比Q245R/316L電偶對(duì)嚴(yán)重；電偶腐蝕效應(yīng)的大小是：Q345R/316L＞Q245R/316L。

Q245R；Q345R；316L不銹鋼；電偶腐蝕

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)材料的要求越來越高，應(yīng)用材料的種類也越來越廣泛，各種材料聯(lián)合使用已經(jīng)成為一種新趨勢(shì)。在石油化工行業(yè)中，碳鋼、低合金鋼和不銹鋼的聯(lián)合使用也變得相當(dāng)普遍。對(duì)于多種金屬聯(lián)合使用的構(gòu)件，如果工況條件為腐蝕電解質(zhì)溶液環(huán)境，那就滿足了發(fā)生電偶腐蝕的三要素，必然會(huì)導(dǎo)致電偶腐蝕的發(fā)生。由于電偶腐蝕的作用，導(dǎo)致高電位材料的腐蝕被抑制，低電位材料的腐蝕被加速[1]。另外，電偶腐蝕可誘導(dǎo)甚至加速應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、氫脆等其他腐蝕行為的發(fā)生。因此，研究碳鋼、低合金鋼和不銹鋼之間的電偶腐蝕，對(duì)于石油化工行業(yè)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

本文以Q245R碳鋼、Q345R低合金鋼和316L不銹鋼為研究對(duì)象，采用開路電位，動(dòng)電位極化，電偶電位和電偶電流測(cè)量等電化學(xué)方法研究了Q245R/316L和Q345R/316L電偶對(duì)在3.5%NaCl溶液中的電偶腐蝕行為。以期為石油化工行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中材料的優(yōu)化選擇和防腐方案的制定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試樣采用Q245R碳鋼、Q345R低合金鋼與316L不銹鋼，其化學(xué)成分（見表1）。將3種試樣分別切割制作成底面積為1 cm2的圓柱。將導(dǎo)線焊接在圓柱一個(gè)底面上，試樣與導(dǎo)線連接后，用環(huán)氧樹脂涂封，試樣表面逐級(jí)打磨至800#砂紙，用蒸餾水進(jìn)行沖洗，再用無水乙醇和丙酮脫脂，放入干燥器內(nèi)干燥備用。為避免材料在空氣中形成氧化膜對(duì)電偶腐蝕產(chǎn)生影響[2]，電化學(xué)試驗(yàn)均在試樣密封1 h內(nèi)進(jìn)行。

試驗(yàn)介質(zhì)為3.5%NaCl溶液，pH值為7，40℃。稱取35 g的NaCl、965 g的蒸餾水，混合攪拌，用量筒量取500mL溶液。

1.2 試驗(yàn)方法

自腐蝕電位和動(dòng)電位極化測(cè)量選用CS300電化學(xué)工作站進(jìn)行，采用三電極體系，3種試樣分別為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，鉑網(wǎng)為輔助電極。將工作電極Q245R和不銹鋼試樣分別置于試驗(yàn)介質(zhì)中，監(jiān)測(cè)開路電位隨時(shí)間的變化。采用動(dòng)電位法測(cè)量極化曲線，極化范圍設(shè)定在-100mV～+180 mV（相對(duì)開路電位），掃描速率為0.4 mV/s。

表1 各種材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

電偶腐蝕采用CS300電化學(xué)工作站來進(jìn)行測(cè)量。將制備好的3種試樣用導(dǎo)線連接起來，再用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封并預(yù)留工作面積，Q245R/316L和Q345R/316L電偶對(duì)的陰陽(yáng)極面積比均為1：1。將制成的電偶對(duì)陰陽(yáng)極的工作面完全浸泡在500mL 3.5%NaCl溶液中，連續(xù)測(cè)量電偶混合電位和電偶電流密度隨時(shí)間的變化關(guān)系，研究不同材質(zhì)對(duì)電偶效應(yīng)的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自腐蝕電位

試驗(yàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)了Q245R碳鋼、Q345R合金鋼和316L不銹鋼在3.5%NaCl溶液中的自腐蝕電位（見圖1）。

從圖1中可以看出，316L不銹鋼的自腐蝕電位整體變化不大，Q245R和Q345R自腐蝕電位明顯發(fā)生負(fù)移，變化幅度較大。這說明316L在3.5%NaCl中比較穩(wěn)定，具有一定的自鈍化能力，Q245R和Q345R在3.5%NaCl中比較活潑，處于活化狀態(tài)。316L不銹鋼的自腐蝕電位遠(yuǎn)大于Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼，電位差ΔE分別為396.5 mV和414.7 mV，遠(yuǎn)大于發(fā)生電偶腐蝕的閾值電位差50 mV[3]，因此，Q245R碳鋼、Q345R低合金鋼與316L不銹鋼偶接均會(huì)發(fā)生電偶腐蝕。偶接后，在Q245R/316L和Q345R/316L電偶對(duì)中，低電位的Q245R和Q345R作為陽(yáng)極加速腐蝕，高電位的316L作為陰極受到保護(hù)使腐蝕減緩。兩種電極材料電位差越大，電偶腐蝕的傾向就越大[4]，所以形成的電偶對(duì)的腐蝕傾向?yàn)椋篞345R/316L＞Q245R/316L，即Q345R/316L電偶對(duì)更易發(fā)生電偶腐蝕。

圖1 自腐蝕電位

2.2 極化曲線測(cè)量

分別對(duì)Q245R碳鋼、Q345R合金鋼和316L不銹鋼進(jìn)行動(dòng)電位掃描，得到各自的極化曲線（見圖2）。

圖2 極化曲線

由圖2知，316L不銹鋼有著極大的陽(yáng)極極化率，因此表現(xiàn)出不銹鋼強(qiáng)的極化能力，呈陽(yáng)極極化控制。相對(duì)，Q245R和Q345R的陽(yáng)極極化率則較小，但在較小的陽(yáng)極極化電流下就可以引起電位的明顯變化，因此呈陽(yáng)極活化極化控制。同時(shí)，圖1中的316L不銹鋼的自腐蝕電位低于圖2中的自腐蝕電位。這是因?yàn)閳D1中的電位測(cè)量是采用開路電位測(cè)量得到的，不銹鋼表面產(chǎn)生良好的鈍化膜[5]，鈍化后電位向正向偏移；而極化曲線的測(cè)量是陰極到陽(yáng)極的極化過程，電位在較低區(qū)間呈還原反應(yīng)活化極化控制，鈍化膜被清除，從而導(dǎo)致自腐蝕電位降低。

2.3 電偶腐蝕測(cè)量

偶接后，電偶腐蝕測(cè)量電偶對(duì)的混合電位和電偶電流密度（見圖3、圖4）。

圖3 電偶對(duì)的混合電位

圖4 電偶對(duì)的電偶電流密度

由圖3可知，Q245R/316L和Q345R/316L電偶對(duì)的混合電位整體均向負(fù)向偏移，且Q245R/316L電偶對(duì)偏移的幅度明顯大于Q345R/316L電偶對(duì)。試驗(yàn)中，Q245R/316L電偶對(duì)的平均混合電位值為-0.568 V大于Q345R/316L電偶對(duì)的平均值-0.656 V。在160 s左右，Q245R/316L電偶對(duì)的混合電位發(fā)生異常，有向正向偏移的趨勢(shì)，這是因?yàn)镼245R作為陽(yáng)極受到陽(yáng)極極化，導(dǎo)致混合電位向正向偏移，但很快相應(yīng)陰極316L也受到陰極極化的影響而活化，使得電偶對(duì)混合電位又逐漸負(fù)移。

由圖4可知，Q345R/316L電偶對(duì)的平均電流密度大于Q245R/316L電偶對(duì)的平均電流密度。Q345R/316L電偶對(duì)因受陰、陽(yáng)極不同極化的控制，出現(xiàn)多次波動(dòng)。Q245R/316L電偶對(duì)偶接后電流密度開始向正向偏移，在160s左右，由于受電偶對(duì)陰極316L極化控制，電偶電流密度出現(xiàn)反轉(zhuǎn)逐漸負(fù)移。根據(jù)電偶電流密度的大小可以得出Q345R/316L比Q245R/316L發(fā)生電偶腐蝕更嚴(yán)重。

2.4 電偶腐蝕效應(yīng)的計(jì)算

在電偶腐蝕試驗(yàn)中，通常采用電偶腐蝕效應(yīng)γ表征偶合對(duì)材料電偶腐蝕行為的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[6，7]，電偶對(duì)的陽(yáng)極上僅發(fā)生金屬的溶解反應(yīng)時(shí)，陽(yáng)極金屬的電偶腐蝕效應(yīng)可通過下式計(jì)算：

根據(jù)文獻(xiàn)[8]上式中的ig采用試驗(yàn)周期內(nèi)測(cè)量的平均電偶電流密度的值帶入進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下：

根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算偶接后的電偶腐蝕效應(yīng)γ，icorr為偶接前的自腐蝕電流結(jié)果（見表2）。

表2 根據(jù)電化學(xué)測(cè)量計(jì)算得到的Q245的電偶腐蝕效應(yīng)

分析表2可以發(fā)現(xiàn)，Q245R/316L電偶對(duì)γ值小于1，這說明Q245R碳鋼與316L不銹鋼偶合后的電偶電流甚至小于偶合前的自腐蝕電流。因此式（1）計(jì)算的電偶腐蝕效應(yīng)是不準(zhǔn)確的。實(shí)際上在偶合后陽(yáng)極金屬極化很小時(shí)（即對(duì)于電偶對(duì)中陽(yáng)極Eg≈Ecorr時(shí)），存在Ig≈因此，式（1）應(yīng)修正為：

修正結(jié)果添加到表2。電偶腐蝕效應(yīng)為Q345R/316L＞Q245R/316L。

3 結(jié)論

（1）316L不銹鋼自腐蝕電位遠(yuǎn)高于Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼的自腐蝕電位，有很大的驅(qū)動(dòng)電位差，偶接后會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，且Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼作為陽(yáng)極，腐蝕加劇，316L不銹鋼則作為陰極被保護(hù)，腐蝕減緩。Q345R/316L電偶對(duì)發(fā)生電偶腐蝕傾向略大于Q245R/316L電偶對(duì)。

（2）316L不銹鋼具有強(qiáng)的極化能力容易鈍化，受鈍化產(chǎn)生的鈍化膜的影響，開路電位下測(cè)得的自腐蝕電位值一般比采用動(dòng)電位極化測(cè)量的值大；而Q245R碳鋼和Q345R低合金鋼由于極化能力小，表現(xiàn)比較活潑。

（3）電偶腐蝕測(cè)量表明，Q345R/316L電偶對(duì)發(fā)生電偶腐蝕比Q245R/316L電偶對(duì)嚴(yán)重，表明Q245R/316L選材搭配相對(duì)合理，應(yīng)優(yōu)先考慮。

（4）根據(jù)電偶腐蝕效應(yīng)的計(jì)算，電偶腐蝕效應(yīng)的大小是：Q345R/316L＞Q245R/316L。

［1]劉宇，石勇，李寧，等.5083鋁合金與2205不銹鋼在天然海水中的電偶腐蝕行為［J］.腐蝕與防護(hù)，2012，33（6）：532-534.

［2]Cheng C Q，Zhao J，Cao T S，et al.Facile chromaticity approach for the inspection of passive films on austenitic stainless steel［J］.Corrosion Science，2013，70（3）：235-242.

［3]王鳳平，等.腐蝕電化學(xué)原理、方法及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008：120-123.

［4]陳兵.過程裝備腐蝕與防護(hù)［M］.中國(guó)石化出版社，2015：39-40.

［5]宗廣霞，張洋，方軍鋒，等.X65/316L電偶對(duì)在模擬油田產(chǎn)出水中的電偶腐蝕行為［J］.腐蝕與防護(hù)，2012，33（7）：589-592.

［6]Mansfeld F.Galvanic Interaction Between Active and Passive Titanium［J］.Corrosion-Houston Tx-，1973，29（2）：56-58.

［7]Mansfeld F.Area Relationships in Galvanic Corrosion［J］.Corrosion-Houston Tx-，1971，27（10）：436-442.

［8]Bellucci F.Galvanic Corrosion between Nonmetallic Composites and Metals：I Effect of Metal and of Temperature［J］.Corrosion-Houston Tx-，1991，47（10）：808-819.

［9]陳匡民.過程裝備腐蝕與防護(hù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：241-243.

Galvanic corrosion of Q245R/316L and Q345R/316L galvanic couples in 3.5%NaCl solution

REN Ke，JU Rongbing
（College of Mechanical Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

The electrochemical behavior of Q245R/316L and Q345R/316L galvanic pairs in 3.5%NaCl solution was studied by electrochemical method for galvanic corrosion caused by the combined use of dissimilar metals in petrochemical industry.The results show that the corrosion potential of 316L stainless steel is much higher than that of Q245R carbon steel and Q345R low alloy steel.Even after coupling,galvanic corrosion occurs,and the Q345R/316L galvanic pair tends to be slightly larger than Q245R/316L.316L stainless steel easy passivation,and Q245R carbon steel and Q345R low alloy steel is more lively.316L stainlesssteel passivation caused by the passivation film,open circuit potential measured corrosion potential value is generally higher than the use of potential polarization Q345R/316L＞Q245R/316L.The galvanic corrosion effect is Q345R/316L＞Q245R/316L.

Q245R；Q345R；316L stainless steel；galvanic corrosion

TG174

A

1673-5285（2017）09-0101-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.025

2017－08-02

任科，男（1990-），碩士研究生，從事化工過程機(jī)械相關(guān)工作，郵箱：349944920@qq.com。