1、第5 4卷 第6期2 0 2 3年1 1月 太原理工大学学报J OUR NA L O F T A I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.6 N o v.2 0 2 3 引文格式:陈曦,刘虹艳,孙翔,等.多离子复合对Q 2 3 5碳钢在供热管网输配再生水过程腐蚀行为研究J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(6):9 9 7-1 0 0 7.CHE N X i,L I U H o n g y a n,S UN X i a n g,e t a l.C o r r o s i o n b e h a v i o
2、r o f m u l t i-i o n r e c o m b i n a t i o n o n Q 2 3 5 c a r b o n s t e e l d u r i n g t r a n s p o r t a t i o n o f r e c l a i m e d w a t e r i n h e a t i n g p i p e sJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(6):9 9 7-1 0 0 7.收稿日期:2 0 2 2
3、-0 7-0 7;修回日期:2 0 2 2-0 8-0 9 基金项目:太原市科技局项目(0 4-2 0 1 0 0 9-3 0 9);山西省基础研究资助项目(2 0 2 1 0 3 0 2 1 2 4 4 7 8)第一作者:陈曦(1 9 8 6-),博士,主要从事无机催化,金属材料腐蚀与防护的研究,(E-m a i l)c h e n x i 0 2 t y u t.e d u.c n 通信作者:梁美生(1 9 6 8-),博士,教授,主要从事化学工程、环境污染治理与防护的研究,(E-m a i l)l i a n g m e i s h e n g t y u t.e d u.c n多离子复
4、合对Q 2 3 5碳钢在供热管网输配再生水过程腐蚀行为研究陈 曦,刘虹艳,孙 翔,梁美生(太原理工大学 环境科学与工程学院,山西 晋中 0 3 0 6 0 0)摘 要:【目的】为了考察将供热管网用于再生水输配时其管道的腐蚀行为,并分析腐蚀的影响因素以及各因素之间的相互作用。【方法】以组成供热管网的主要材料Q 2 3 5碳钢为基础,通过电化学方法研究再生水中多离子(C l-,S O2-4,HC O-3,C a2+)复合作用以及不同p H值对碳钢的腐蚀性,同时配合挂片法对试验的可靠性和实践性进行验证。【结果】结果表明,O和C l-是碳钢腐蚀的主要因素,其它离子根据离子属性和浓度不同对C l-的腐蚀
5、起抑制或者促进作用。根据浓度不同,S O2-4离子会和C l-产生竞争吸附或者由于溶液导电性的提高,从而抑制(S O2-4)为5 01 0 0 m g/L)或者促进(S O2-4)为1 5 0 2 5 0 m g/L)C l-对Q 2 3 5的腐蚀;HC O-3的加入提高了溶液的导电性,因此会促进腐蚀的产生,当浓度较高(S O2-4)为1 0 02 0 0 m g/L)时过多的H+将抑制C l-对碳钢的腐蚀;低浓度C a2+(小于1 5 0 m g/L)的添加会由于导电性的增加促进腐蚀,当浓度较高(S O2-4)为1 5 02 0 0 m g/L)时与水中OH-生成C a(OH)2沉淀,抑制了
6、C l-对碳钢的腐蚀。同时S EM和E D S表明,材料的表面状态不同,其腐蚀形貌不同。【结论】将电化学法和挂片法相结合,多离子作用腐蚀原理和实际腐蚀状况相互对应,为再生水进入热力管网前的预处理提供理论依据和数据支持,具有较强的现实意义。关键词:供热管网;再生水;腐蚀行为;电化学方法;多离子复合中图分类号:TU 9 9 5.3 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.t y u t.1 0 0 7-9 4 3 2.2 0 2 3.0 6.0 0 5 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 6-0 9 9 7-1 1C o r r o s i o n B
7、e h a v i o r o f M u l t i-i o n R e c o m b i n a t i o n o n Q 2 3 5 C a r b o n S t e e l D u r i n g T r a n s p o r t a t i o n o f R e c l a i m e d W a t e r i n H e a t i n g P i p e sC H E N X i,L I U H o n g y a n,S U N X i a n g,L I A N G M e i s h e n g(C o l l e g e o f E n v i r o n m
8、 e n t a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,J i n z h o n g 0 3 0 6 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】T h e s t u d y w a s f o c u s e d o n t h e c o r r o s i o n b e h a v i o r o f h e a t i n g p i p e s d u r i n
9、g t h e t r a n s p o r t a t i o n o f r e c l a i m e d w a t e r,w h e r e t h e c o r r o s i o n f a c t o r s a n d i n t e r a c t i o n s a m o u g t h e s e f a c t o r s w e r e c o n s i d e r e d.【M e t h o d s】S p e c i f i c a l l y,t h e c o m p r e h e n s i v e e f f e c t s o f m u
10、 l t i p l e i o n s(C l-,S O2-4,HC O-3,C a2+)a n d p H o n Q 2 3 5 c a r b o n s t e e l(m a i n m a t e r i a l s u s e d i n h e a t i n g p i p e s)w e r e r e s e a r c h e d b y e l e c t r o c h e m i s t r y m e t h o d s.M e a n w h i l e,w e i g h t l o s s m e t h o d w a s a l s o a p p
11、l i e d f o r t h e v e r i f i c a t i o n o f t h e r e l i a b i l i t y a n d p r a c t i c a b i l i t y o f t h e e l e c t r o c h e m i s t r y m e t h o d.【F i n d i n g s】T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t O a n d C l-a r e t h e k e y f a c t o r s t o t h e c o r r o s i o n o
12、 f Q 2 3 5,w h i c h c o u l d b e i n h i b i t e d o r p r o m o t e d b y o t h e r i o n s w i t h d i f f e r e n t i o n i c p r o p e r t i e s a n d c o n c e n t r a t i o n s.F o r S O2-4,t h e c o r r o s i o n o f C l-o n Q 2 3 5 c o u l d b e s u p p r e s s e d(5 01 0 0 m g/L)o w i n g
13、 t o t h e c o m p e t i t i v e a d-s o r p t i o n b e t w e e n C l-a n d S O2-4 o r p r o m o t e d(1 5 02 5 0 m g/L)o w i n g t o t h e i m p r o v e d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f s o l u t i o n s,w h i c h i s d e p e n d e d o n t h e i o n c o n c e n t r a t i o n s.A s
14、 m a l l a m o u n t o f HC O-3 c o u l d l e a d t o t h e i m p r o v e m e n t o f c o r r o s i o n o n Q 2 3 5,t h o u g h e x c e s s H+f r o m h i g h c o n c e n t r a t i o n s o f HC O-3(1 0 02 0 0 m g/L)c o u l d r e s t r a i n t h e c o r r o s i o n o f C l-.B e c a u s e o f t h e i n
15、 c r e a s e o f e l e c t r i-c a l c o n d u c t i v i t y,a d d i t i o n o f C a2+a t l o w c o n c e n t r a t i o n s(l e s s t h a n 1 5 0 m g/L)w o u l d f a c i l i t a t e t h e c o r r o s i o n o f p i p e s,w h i l e t h e C a(OH)2 p r e c i p i t a t e s d e r i v e d f r o m t h e r e
16、 a c t i o n b e t w e e n h i g h c o n-c e n t r a t i o n s(1 5 02 0 0 m g/L)o f C a2+a n d OH-p r e v e n t e d Q 2 3 5 f r o m b e i n g c o r r o d e d b y C l-.M o r e o v e r,t h e d i f f e r e n t s u r f a c e s t a t e s o f m a t e r i a l s w o u l d r e s u l t i n d i f f e r e n t c
17、 o r r o s i o n m o r p h o l o-g i e s a c c o r d i n g t o t h e a n a l y s e s o f S EM a n d E D S.【C o n c l u s i o n s】T h e c o m b i n a t i o n o f e l e c t r o c h e m i s-t r y m e t h o d b a s e d o n l a b o r a t o r y t e s t s a n d w e i g h t l o s s m e t h o d f r o m t h e
18、 a c t u a l c o r r o s i o n s t a t u s w o u l d h a v e s i g n i f i c a n t p r a c t i c a l i t y.T h e s t u d y p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s a n d d a t a f o r t h e p r e-t r e a t m e n t o f r e c l a i m e d w a t e r w h e n i t i s t r a n s p o r t e d b y t h
19、 e h e a t i n g p i p e n e t w o r k s,w h i c h i s o f p r a c t i c a l i m p o r t a n c e.K e y w o r d s:h e a t i n g p i p e s;r e c l a i m e d w a t e r;c o r r o s i o n b e h a v i o r;e l e c t r o c h e m i s t r y m e t h o d;m u l t i-i o n r e c o m b i n a t i o n 中国北方集中供热管网在非供暖期
20、常被闲置,闲置期一般从3月份到1 1月份,时间较长。管网闲置时设备停止运行,造成大量资源浪费。同时控制系统和阀门在闲置期间关闭,重新启动时由于压力差和腐蚀生锈等因素需要较长时间调校和维护1。本文基于现实考量,拟将闲置期的供热管网用于再生水输配,在有效利用资源、节省成本的同时也可以降低其由于长时间闲置造成的管网、阀件等损伤2。和新建管网相比,这一构想将节省单位投资约3 5 0 0 4 0 0 0元/t.为了将这一构想变成现实,供热管网输配再生水时其腐蚀性行为研究便成了一个亟需解决的问题3。Q 2 3 5碳钢由于强度、塑性和焊接性能等综合性能较好且价格低廉被大量用于供热管网管材,本文以Q 2 3
21、5碳钢为电极材料,通过极化曲线和E I S谱分析再生水中不同离子对Q 2 3 5的腐蚀电位和腐蚀电流,以及电荷传递阻抗的影响。动态浸泡实验能较可靠地模拟材料在真实环境中的腐蚀特性,所以本研究同时采用挂片法,通过重量变化来实时反映材料在不同离子中的腐蚀速率和腐蚀程度,为数据的可靠性和实践性提供保障。由于再生水中多种离子 并 存(包 括C l-,S O2-4,HC O-3,C a2+,NO-3,N a+等)4-5,离子的形态、电负性、浓度不同对管道腐蚀的影响不同。前期已经有大量研究工作表明,C l-为碳钢腐蚀的主要影响因素6-8,NO-3和N a+对碳钢腐蚀影响较弱或者没有影响9-1 0。所以本文
22、根据山西太原某污水处理厂的再生水水质检测结果(与本研究有关参数见表1),通过调控离子质量浓度配制再生水模拟水,通过电化学和挂片相结合的方法,研究在不同离子(C l-,S O2-4,HC O-3,C a2+)种类及质量浓度影响下,Q 2 3 5碳钢的腐蚀行为和速率,为供热管网输配再生水的可行性提供理论支持。表1 某污水处理厂水质指标T a b l e 1 W a t e r q u a l i t y i n d e x o f a s e w a g e t r e a t m e n t p l a n t指标数值(C l-)/(m gL-1)2 2 6.7(O2-4)/(m gL-1)3
23、0 0(HC O-3)/(m gL-1)3 2 0(C a2+)/(m gL-1)1 5 8.5 4p H7.2 4(D O)/(m gL-1)8.0 2 近些年,氯离子对不同金属材料,包括碳钢、不锈钢和低合金钢等腐蚀行为的成因7,碳钢在不同大气环境中的腐蚀特性1 1,氯离子在不同溶液环境中,如在水泥中对碳钢的腐蚀行为1 2,多离子在特殊环境中对特种钢材的电化学腐蚀影响,如多种阴离子(C l-,HC O-3,S2-)对P 1 1 0钢材的电化学腐蚀行为协同1 3等研究均得到了有价值的结论。但未见针对热力管网输送再生水时,管网的腐蚀行为及899太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 管网的可
24、靠性研究。研究对于采取合理的防腐蚀措施,保护供热管网在输送再生水时的安全性具有重要的指导意义。1 实验方法1.1 电化学方法本实验所采用的材料为Q 2 3 5碳钢,化学成分(质量分数,%)为C 0.1 6 0,M n 0.4 2 0,S i 0.2 6 0,S 0.3 9 0,P 0.0 4 1,余量为F e.样品被加工为1 0 mm1 0 mm2 mm的正方形薄板。样品的一面设为工作表面,面积为1 c m2,另外一端用铜线焊接在中间部位,并用环氧树脂包裹起来作为非工作表面,使其避免受 到 腐 蚀 介 质 的 影 响。工 作 表 面 使 用2 8 0-2 0 0 0#的S i C砂纸依次打磨光
25、滑,然后用纯水、丙酮和乙醇洗涤确保表面清洁,最后样品放在干燥箱中3 5 干燥2 4 h作为电极使用。溶液环境根据所测得的离子质量浓度(见表1),将S O2-4、HC O-3、C a2+3种离子调节为5 0 5 0 0 m g/L,C l-固定为2 0 0 m g/L.观察以Q 2 3 5碳钢为电极,在C l-存在的情况下,随着另外3种离子质量浓度的变化,溶液中的电化学阻抗和伏安特性,以此来推断多离子复合作用对Q 2 3 5碳钢的腐蚀性。同时考查p H值对配比溶液中阻抗和伏安特性的影响,以此判定其电化学反应过程的强弱。最后将多离子复合作用与p H值的影响结合起来,得出Q 2 3 5碳钢的腐蚀规律
26、。实验采用传统的三电极体系电化学工作站(上海辰华,CH I 7 6 0 E),以处理后的Q 2 3 5试样为工作电极,以A g/A g C l系统作为参比电极(2 5,标准电极电势0.1 9 8 V),石墨作为对电极,三电极构造如图1所示,电极间距1.5 c m.ReferenceelectrodeWorkingelectrodeCounterelectrode图1 三电极测试系统示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h r e e-e l e c t r o d e s y s t e m1.2 重量法(挂片法)为了模拟实际再生水的
27、输配过程,实验中利用动态管网装置,采用挂片浸泡的方法对Q 2 3 5碳钢在不同离子浓度中的耐腐蚀性进行了测量。腐蚀实验一般以挂片的重量变化代表腐蚀速率来大致评价碳钢在含有不同离子溶液环境中的腐蚀特性。本实验采用腐蚀深度表示法,即用单位时间内的腐蚀深度来表示腐蚀速度,计算公式如下:v=v 3 6 52 41 0 02.(1)v=m0-m1St.(2)式中:v为深度法腐蚀速率,mm/a;为所用挂片的密度,g/c m3;v为重量法腐蚀速率,g/(m2h);m0和m1分别代表挂片在腐蚀前后的重量,g.2 结果与讨论2.1 C l-的影响图2(a)为Q 2 3 5碳钢在3 5 不同氯离子浓度中的动电位极
28、化曲线。从曲线可以看出在只有C l-存在时,对于固定浓度的电解液,随着电位的升高,腐蚀电流逐渐减小到最小,说明在试样表面逐渐形成钝化膜。当电位进一步提高时,腐蚀电流逐渐增加,说明碳钢的耐蚀性主要源于其表面钝化膜的保护,腐蚀过程是由于钝化膜的溶解破坏引起的1 4。随着C l-质量浓度升高(5 04 0 0 m g/L),极化曲线向电流密度大的方向移动,且腐蚀电位提高,表明C l-浓度的升高会促进溶液内部的传质,提高腐蚀电流密度,导致腐蚀发 生,从而加速 碳钢基体的溶解1 5。图2(b)为碳钢在氯离子中的电化学阻抗谱,其特征与极化曲线相似,谱图通过图2(e)中等效电路拟合碳钢在不同浓度氯离子(5
29、04 0 0 m g/L)溶液中的阻抗数据。等效电路图中的Rs称为溶液电阻或电解液电阻;RP称为感应电阻、极化电阻或者电荷转移电阻;整个系统可以看成一个电容器,其中的C P E为常相位角元件,用来代替电容,可以看成金属与电解液之间的双层容抗1 6。从图2(b)可以看出碳钢在C l-介质中只有单一容抗弧,说明其腐蚀机制相同1 7。随着电解液中C l-质量浓度的增加,碳钢在电解液中的阻抗半径减小,说明C l-质量浓度的提高降低了溶液中的电阻,提高了碳钢的腐蚀效率。从图2(c)和(d)的B o d e图可以看出C l-质量浓度在5 04 0 0 m g/L时其相位角均小于9 0,在高频状况下,相位角
30、为零,而阻抗模值也变成了一条斜率为零的直线,这说明整个反应过程是一种电阻式999 第6期 陈 曦,等:多离子复合对Q 2 3 5碳钢在供热管网输配再生水过程腐蚀行为研究行为 而 非 弛 豫 过 程,而 该 行 为 来 源 于 电 解 质 电阻1 8。同时在中低频率上显示出了具有明显斜率的阻抗模值和最大相位角,该现象类似于电容性行为1 9,以上皆说明该系统可以被看成是一个单一的阻性过程。同时从图2(d)可以看出|Z|-F r e q u e n c y曲线的斜率根据C l-质量浓度的不同显示出差异性,这是由于实验过程中应用电势的不规则分布造成的,而这种不规则分布造成了类电容的充-放电过程中的时间
31、常数产生差异。这一现象可能是由电极表面形态以及表面粗糙度不同造成的2 0。CPERSRP（e）等效电路Cl-?50Cl-?100Cl-?200Cl-?40050403020100-Phase?angle/degree0.0111001?000Frequency?/?Hz0.11010?000（c）相位角-频率 Bode 图Cl-?50Cl-?100Cl-?200Cl-?4003?0002?0001?0000Z/?0.0111001?000Frequency?/?Hz0.11010?000（d）阻抗模值-频率 Bode 图Cl-?50Cl-?100Cl-?200Cl-?400-3-4-5-6-7
32、-8-9log（Current?/?A）-0.6-0.4-0.20Potential?/?V（a）动电位极化曲线Cl-?50Cl-?100Cl-?200Cl-?4001?6001?2008004000-Zim?/?（cm-2）0500Zre?/?（cm-2）1?0001?5002?0002?500（b）Nyquist 曲线图2 Q 2 3 5碳钢在3 5 不同浓度氯离子中的电化学性能F i g.2 E l e c t r o c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f Q 2 3 5 c a r b o n s t e e l i n d i f f e r
33、 e n t c o n c e n t r a t i o n s o f C l-a t 3 5 2.2 S O2-4的影响虽然C l-为再生水中影响碳钢腐蚀的主导元素,但其它离子的加入会对C l-的腐蚀产生影响。S O2-4为再生水中典型的阴离子,通过图3(a)极化曲线可以看到S O2-4质量浓度从5 0 m g/L增加到1 0 0 m g/L时,腐蚀电位增加,阳极极化曲线电流减小,说明一定量的S O2-4可以与C l-产生竞争吸附,阻碍C l-与Q 2 3 5的接触,抑制了C l-对Q 2 3 5的腐蚀2 1。从图3(b)中N y q u i s t曲线可以看出,无论S O2-4质量浓
34、度多大,N y q u i s t曲线由一个容抗组成,说明S O2-4的加入并没有改变Q 2 3 5的腐蚀机制2 2-2 3。当S O2-4质量浓度由1 0 0 m g/L增加到2 5 0 m g/L时,极化曲线向左偏移,腐蚀电位减小,阳极极化曲线的腐蚀电流增大,阴极极化曲线电流减小,说明S O2-4的增加提高了电解液的导电性,试样更容易被腐蚀。当质量浓度继续增加至5 0 0 m g/L0001太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 时,腐蚀电位增大,阳极极化曲线腐蚀电流减小,试验表明S O2-4与C l-会对碳钢的腐蚀产生协同作用,协同作用的效果与S O2-4的浓度有关。从图3(c)的B
35、 o d e图可以看出其整体趋势和单纯C l-的影响接近,区别在于与单纯2 0 0 m g/L的含氯离子溶液相比,S O2-4的加入根据浓度不同降低或者增大了中间频率所对应的最大相位角值,而相位角的大小则对应腐蚀发生时的难易程度,其趋势与极化曲线图3(a)和N y q u i s t曲线图3(b)所呈现的现象相符合。50403020100-Phase?angle/degree0.0111001?000Frequency?/?Hz0.11010?000SO2-?-50SO2-?-100SO2-?-150SO2-?-250SO2-?-500444443?0002?0001?0000Z/?0.011
36、1001?000Frequency?/?Hz0.11010?000SO2-?-50SO2-?-100SO2-?-150SO2-?-250SO2-?-50044444-2-3-4-5-6-7-8-9log（Current?/?A）-0.6-0.4-0.2Potential?/?V-0.5-0.3-0.1SO2-?-50SO2-?-100SO2-?-150SO2-?-250SO2-?-50044444（a）动电位极化曲线8006004002000-Zim?/?（cm-2）0400Zre?/?（cm-2）8001?200SO2-?-50SO2-?-100SO2-?-150SO2-?-250SO2-?
37、-50044444（b）Nyquist 曲线（c）相位角-频率 Bode 图（d）阻抗模值-频率 Bode 图图3 Q 2 3 5碳钢在3 5,2 0 0 m g/L氯离子和不同浓度硫酸根离子混合溶液中的电化学特性F i g.3 E l e c t r o c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f Q 2 3 5 c a r b o n s t e e l i n m i x e d s o l u t i o n s c o n t a i n i n g d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o f
38、 S O2-4 a n d 2 0 0 m g/L o f C l-a t 3 5 2.3 HC O-3的影响HC O-3既具有阴离子属性,又由于易解离出一个阳离子H+使其对碳钢的腐蚀较S O2-4更为复杂。从图4(a)可以看出,当HC O-3质量浓度从5 0 m g/L增加到1 0 0 m g/L时,腐蚀电位减小,阳极极化曲线电流增大,说明HC O-3中H+的析出提高了电解液的导电性。从图4(b)可以看出,当HC O-3质量浓度从5 0增加到1 0 0 m g/L时,容抗弧半径减小,即电极界面反应电阻减小,说明腐蚀速率增大,这与图4(a)中极化曲线所呈现的结果一致。当质量浓度从1 0 0 m
39、 g/L增加到1 5 0和2 0 0 m g/L时,从图4(a)可以看出腐蚀电位减小,阳极极化曲线电流也减小,相应的从图4(b)可以看到容抗弧半径增大,电极界面反应电阻增大,腐蚀速率减小,这种现象是由于过多的H+抑制了C l-与Q 2 3 5碳钢表面的F e元素发生反应,从而抑制了Q 2 3 5碳钢的腐蚀2 4。也有研究认为当HC O-3浓度高于临界值时,溶液中的HC O-3、C O-3、OH-吸附在阳极表面共同作用形成稳定的钝化膜抑制腐蚀的发生2 5-2 6。当质量浓度继续增加至3 0 0 m g/L时,腐蚀电位和腐蚀电阻都减小,原因是过多的HC O-3导致溶液导电率的提高,降低了电子转移步
40、骤的活化能2 7。含有HC O-3的相位角频率B o d e图(图4(c)与单纯含有C l-的相位角频率B o d e图(图2(c)表现出了1001 第6期 陈 曦,等:多离子复合对Q 2 3 5碳钢在供热管网输配再生水过程腐蚀行为研究很大的差异性,说明HC O-3的加入对溶液既有导电性,也有酸碱性上的影响,其对腐蚀过程的影响是复杂的。H+在提高导电性的同时也会抑制C l-与Q 2 3 5碳钢之间的反应,严重影响类电容的充放电过程,导致其相位角频率产生较大变化。-3-4-5-6-7-8-9-10log（Current?/?A）-0.8-0.4-0.2Potential?/?V-0.60HCO-
41、?-50HCO-?-100HCO-?-150HCO-?-200HCO-?-300333338006004002000-Zim?/?（cm-2）0500Zre?/?（cm-2）1?0001?5002?000HCO-?-50HCO-?-100HCO-?-150HCO-?-200HCO-?-3003333350403020100-Phase?angle/degree0.0111001?000Frequency?/?Hz0.11010?000HCO-?-50HCO-?-100HCO-?-150HCO-?-200HCO-?-300333333?0002?0001?0000Z/?0.0111001?000
42、Frequency?/?Hz0.11010?000HCO-?-50HCO-?-100HCO-?-150HCO-?-200HCO-?-30033333（a）动电位极化曲线（b）Nyquist 曲线（c）相位角-频率 Bode 图（d）阻抗模值-频率 Bode 图图4 Q 2 3 5碳钢在3 5,2 0 0 m g/L氯离子和不同浓度碳酸氢根离子混合溶液中的电化学特性F i g.4 E l e c t r o c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f Q 2 3 5 c a r b o n s t e e l i n m i x e d s o l u t i
43、 o n s c o n t a i n i n g d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o f HC O-3 a n d 2 0 0 m g/L o f C l-a t 3 5 2.4 C a2+的影响作为再生水中的典型阳离子,C a2+对Q 2 3 5碳钢腐蚀的影响具有较强的代表性。从图5(a)极化曲线可以看出,当C a2+质量浓度从5 0 m g/L增加到1 0 0 m g/L时,腐蚀电位最小,阳极极化曲线电流增大,这是由于C a2+的质量浓度在临界值以下时增加了电解液的导电性,导致腐蚀电位减小,电流增大,促进了腐蚀的发生。结果与图
44、5(b)中的现象一致,从图5(b)可以看出当C a2+质量浓度从5 0 m g/L增加到1 0 0 m g/L时,容抗弧半径变小,说明反应电阻减小,更容易被腐蚀。继续增加C a2+质量浓度到2 0 0 m g/L,腐蚀电位又增大,反应电阻减小,说明当C a2+质量浓度突破某一临界值之后,C a2+与水中OH-反应生成氢氧化钙沉淀抑制了C l-对碳钢的腐蚀2 8,同时过多H+的生成阻碍了C l-与碳钢中F e元素的反应。当质量浓度增加到3 0 0 m g/L时,抑制作用到达上限,腐蚀电位和反应电阻又同时变小,腐蚀速率增大。从图5(c)和(d)的B o d e图可以看出当C a2+质量浓度小于2
45、0 0 m g/L时,其中间频率所对应的最大相位角变小,而当其质量浓度为3 0 0 m g/L时,最大相位角变大,远大于单纯含有2 0 0 m g/L氯离子的状况,说明特定浓度的C a2+易于在水中生成C a(OH)2沉淀抑制C l-对Q 2 3 5碳钢的腐蚀。2.5 溶液中酸碱性的影响研究认为由于HC O-3和C a2+都在溶液中产生了H+阻碍了C l-与F e的反应,减缓了腐蚀的发生。为了验证这一结果,文中考察了Q 2 3 5碳钢在2 0 0 m g/L氯离子中,不同p H值对极化曲线和阻抗曲线的影响。从图6(a)中可以看出,随着溶液中p H值的增加,其腐蚀电位减小,阳极极化曲线电流增大。
46、从图6(b)中N y q u i s t曲线可以看出随着p H2001太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 值的增加,曲线容抗弧减小,说明其反应电阻减小。从极化曲线和N y q u i s t曲线都可以得出增加p H值可以加速腐蚀的发生。这与HC O-3和C a2+对腐蚀的影响试验中所产生的结果是一致的。图6(c)和(d)的B o d e曲线与图2(c)和(d)类似,说明溶液的酸碱性不能改变系统的电阻性行为,仍然可以看成是一个单一的电阻,只是会对电极的耐腐蚀性产生影响。-4-5-6-7-8-9log（Current?/?A）-0.8-0.4-0.2Potential?/?V-0.60Ca
47、O2+?-50CaO2+?-100CaO2+?-150CaO2+?-200CaO2+?-3001?2001?0008006004002000-Zim?/?（cm-2）0500Zre?/?（cm-2）1?0001?5002?0002?500CaO2+?-50CaO2+?-100CaO2+?-150CaO2+?-200CaO2+?-30050403020100-Phase?angle/degree0.0111001?000Frequency?/?Hz0.11010?000CaO2+?-50CaO2+?-100CaO2+?-150CaO2+?-200CaO2+?-3003?0002?0001?000
48、0Z/?0.0111001?000Frequency?/?Hz0.11010?000CaO2+?-50CaO2+?-100CaO2+?-150CaO2+?-200CaO2+?-300（a）动电位极化曲线（b）Nyquist 曲线（c）相位角-频率 Bode 图（d）阻抗模值-频率 Bode 图图5 Q 2 3 5碳钢在3 5,2 0 0 m g/L氯离子和不同浓度钙离子混合溶液中的电化学特性F i g.5 E l e c t r o c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f Q 2 3 5 c a r b o n s t e e l i n m i x e
49、 d s o l u t i o n s c o n t a i n i n g d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o f C a2+a n d 2 0 0 m g/L o f C l-a t 3 5 3 腐蚀速率分析图7为Q 2 3 5碳钢在含有不同成分及浓度离子溶液中的腐蚀速率曲线。从图7(a)可以看出C l-质量浓度越高,在同一时间内Q 2 3 5碳钢的腐蚀速率越高。随着时间的延续,碳钢挂片的腐蚀程度越深,并在2 5 d时腐蚀速度逐渐放缓,其随浓度变化的趋势与电化学测试相对应。从图7(b)可以看出,一定质量浓度的S O2-4(5
50、01 0 0 m g/L)可以提高腐蚀速率,但当质量浓度继续增加至2 0 0 m g/L时,挂片的腐蚀速率产生回落,结果与电化学试验的结果相吻合,腐蚀速率在2 5 d时放缓,在3 0 d时总的腐蚀速率和纯C l-影响下的速率接近,说明S O2-4由于浓度不同会对C l-的腐蚀产生促进或者抑制作用,最终的腐蚀程度仍然以C l-的影响为主导。从图7(c)可以看出,当HC O-3的质量浓度由5 0增加至1 0 0 m g/L时,在相同的时间内碳钢的腐蚀程度变小,当进一步增加至2 0 0 m g/L时,腐蚀程度增大,这是由于H+对C l-的抑制作用和导电性的互相博弈产生的结果。从图7(d)可以看出,C
