硫酸對碳鋼管道腐蝕原因分析及建議

(中國石化集團(tuán)重慶川維化工有限公司，重慶，401254)

1 前言

濃硫酸在化工裝置上使用時對金屬的腐蝕包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，且后者的破壞影響較大[1]。濃硫酸能使某些金屬鈍化，濃硫酸對金屬的鈍化過程是化學(xué)腐蝕過程，這種腐蝕使金屬表面生成一層致密的保護(hù)膜，可以阻止?jié)饬蛩釋饘俚倪M(jìn)一步腐蝕，這對金屬防腐蝕來說是有益的。通?；ぱb置上的硫酸對設(shè)備、儲罐和管道的破壞性腐蝕大多為電化學(xué)腐蝕。碳鋼是化工裝置上最為常見的金屬，常溫條件下碳鋼在硫酸中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，其電極反應(yīng)表示如下：

陽極反應(yīng)：Fe → Fe2++ 2e

陰極反應(yīng)：2H++ 2e →H2

總反應(yīng)：Fe +H2SO4(濃) → FeSO4+ H2

碳鋼中的鐵為陽極，碳及其他一些雜質(zhì)為陰極，鐵在反應(yīng)過程中失去電子與硫酸根結(jié)合生成硫酸亞鐵，氫離子在陰極中得到電子被還原成氫氣[2]。

本公司自產(chǎn)濃硫酸送下游裝置使用時，下游裝置碳鋼管線多次出現(xiàn)穿孔泄漏，且管線的腐蝕情況相比以前外購硫酸時嚴(yán)重許多。管線腐蝕嚴(yán)重不僅會導(dǎo)致硫酸泄漏，增加安全風(fēng)險，而且還需要投入大量的人力、物力對管線進(jìn)行搶修。本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、硫酸組分對比分析及碳鋼掛片實(shí)驗(yàn)對碳鋼管道的腐蝕原因進(jìn)行了簡要的分析，并對如何降低濃硫酸的腐蝕給出了初步的建議。

2 硫酸組分對比分析

因自產(chǎn)硫酸腐蝕情況比外購硫酸嚴(yán)重，所以首先對自產(chǎn)硫酸與外購的硫酸產(chǎn)品的組分進(jìn)行分析，具體分析見表1。

表1 硫酸組分分析

對比組分分析發(fā)現(xiàn)自產(chǎn)硫酸與外購的硫酸產(chǎn)品中的Cl-、NO3-、Fe3+含量基本一致，初步判定硫酸中Cl-、NO3-、Fe3+等雜質(zhì)不是引起腐蝕的主因。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

試劑：公司自產(chǎn)濃硫酸99.2(w)%、蒸餾水、碳鋼掛片(28cm2) 、丙酮、無水酒精、氫氧化鈉溶液60g/L、鹽酸溶液(鹽酸與水體積比1：4)、酸洗溶液( 1000mL體積比1：4的鹽酸溶液中加入8g六次甲基四胺)。

儀器：燒杯、玻璃棒、加熱磁力攪拌器(IKA/RCT基本型)、電子天平(梅特勒ML204,0.1mg)、電吹風(fēng)、干燥器。

3.2 碳鋼掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)

3.2.1 新掛片清洗

用濾紙將掛片上防銹油擦洗干凈，然后分別在丙酮溶液和無水乙醇中用脫脂棉擦洗干凈，置于干燥濾紙上，用電吹風(fēng)吹干后，置于干燥器中4h以上，稱重(精確到0.1mg)，記為m0。

3.2.2 碳鋼掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)

3.2.2.1 酸濃度的影響

在500ml的燒杯中用自產(chǎn)濃硫酸配制99%、98.5%、98%三種濃度的硫酸各800g，燒杯中放入磁力轉(zhuǎn)子，將燒杯放在磁力攪拌器上，將處理好的碳鋼掛片浸沒在硫酸中，燒杯上用保鮮膜密封，調(diào)節(jié)攪拌速度280r/min,96小時后取出掛片進(jìn)行處理。

3.2.2.2 酸溫度的影響

在500ml的燒杯中稱量3份800g自產(chǎn)濃硫酸，燒杯中放入磁力轉(zhuǎn)子，將燒杯放在磁力攪拌器上，將處理好的碳鋼掛片浸沒在硫酸中，燒杯上用保鮮膜密封，調(diào)節(jié)攪拌速度280r/min,控制濃硫酸的溫度分別為15℃、25℃、35℃，96小時后取出掛片進(jìn)行處理。

3.2.3 腐蝕后掛片清洗

將試片取出后先用蒸餾水沖洗并用毛刷刷干凈，然后在酸洗溶液中浸泡3～4min，取出，迅速用蒸餾水沖洗后，立即浸入氫氧化鈉溶液中約30s。取出后用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙擦拭并吸干水分，在無水乙醇中浸泡約3min，置于干燥濾紙上，用電吹風(fēng)吹干后置于干燥器中4h以上，稱重(精確到0.1mg)，記為m1。

3.3 結(jié)果計(jì)算

以mm/a表示的碳鋼腐蝕速率：

X=8760×(m0-m1)×10/(s×ρ×t)

式中：

m0——新掛片清洗完的質(zhì)量，g；

m1——腐蝕后掛片清洗完的質(zhì)量，g；

s——試片的表面積，cm2(實(shí)驗(yàn)掛片為28cm2)；

ρ——試片密度，g/cm3(實(shí)驗(yàn)碳鋼掛片7.85g/cm3)；

t——掛片懸掛的時間，h(實(shí)驗(yàn)時間96h)；

8760——與一年相當(dāng)?shù)男r數(shù)，h/a；

10——與1cm相當(dāng)?shù)暮撩讛?shù)，mm/cm。

4 結(jié)果與討論

通過上述公式計(jì)算不同濃度及不同溫度下碳鋼的腐蝕速率，見表2和表3。

表2 不同濃度下碳鋼的腐蝕速率

表3 不同溫度下碳鋼的腐蝕速率

由表2可以看出硫酸濃度對碳鋼腐蝕速率影響很大，碳鋼掛片在98%的硫酸中的腐蝕速率是99%硫酸的2.58倍，在98.5%的硫酸中的腐蝕速率是99%硫酸的2.09倍。同樣由表3可知硫酸溫度對碳鋼腐蝕速率影響也很大，在99.2%的硫酸濃度下，碳鋼掛片在35℃的硫酸中的腐蝕速率是15℃硫酸的3.98倍，而在25℃下的腐蝕速率與15℃相差不大。

5 腐蝕原因分析與建議

由上可知，外購硫酸與自產(chǎn)硫酸組分差別不大，故判定硫酸組分不是造成碳鋼管道腐蝕嚴(yán)重的主要原因；而硫酸的溫度和濃度對碳鋼腐蝕速率影響很大，本公司硫酸生產(chǎn)裝置送出硫酸濃度有時波動較大，低時達(dá)到98.3%左右，這可能會加劇碳鋼管道的腐蝕，另外硫酸裝置夏天送出硫酸的溫度較高，平均33℃左右，最高能達(dá)到43℃，這也會導(dǎo)致碳鋼管道腐蝕嚴(yán)重。

為了減少硫酸對碳鋼管道的腐蝕，硫酸裝置應(yīng)優(yōu)化工藝，確保硫酸送出濃度穩(wěn)定在99%以上，硫酸溫度控制在25℃以下。