不同种不锈钢电化学腐蚀性能的对比
周 琦，张方卓，盛 捷，郑 斌，李延荣
【摘 要】摘要：采用CHI660D电化学工作站研究304、316L、2205、2507不锈钢在模拟塔里木油田复杂腐蚀介质中的电化学腐蚀性能，并通过扫描电子显微镜（SEM）对其表面的腐蚀产物膜进行对比分析.结果表明：2种复杂腐蚀介质条件下，随温度升高，4种不锈钢的耐蚀性和抗点蚀能力都会降低.CO2的通入对不锈钢的腐蚀过程影响较为复杂.20℃时，4种不锈钢的耐蚀性和抗点蚀能力随CO2的加入均降低；而50、80℃时，4种不锈钢的耐蚀性和抗点蚀能力则会增强.相同腐蚀条件下，4种不锈钢的耐腐蚀能力由强到弱的顺序为：2507、2205、316L、304. 【期刊名称】兰州理工大学学报 【年(卷),期】2015(041)001 【总页数】6
【关键词】复杂腐蚀介质；电化学腐蚀；不锈钢；耐蚀能力
近年来，国内石化行业的快速发展，对原油的需求量越来越大，原油的品质参差不齐，其中高硫原油所占的比重也越来越大，介质对材料的腐蚀日益严重.同时随着我国长庆、普光和塔里木等三高（高Cl-、高CO2和高H2S）油气田的开发，油、气田普遍呈现为采出水中Cl-、H2S和CO2等腐蚀性组分含量上升、温度和pH值波动大的复杂趋势［1-5］，这种复杂介质环境使压力容器设备所面临的腐蚀问题日益突出.
目前国内关于压力容器用材料研究局限于材料在相对单一介质中的较多，而对于材料在复杂介质中（高Cl-、高CO2和高H2S）的耐蚀性研究鲜有报道，相
关文献也很少.本实验以模拟塔里木油田实际工况为腐蚀环境，采用电化学恒电位极化法、扫描电子显微镜（SEM）对比研究了304、316L、2205、2507不锈钢的电化学腐蚀行为和耐蚀性能，为压力容器的选材设计提供参考数据.
1 实验方法
将实验所需的4种钢材用线切割机加工成10 mm×10mm×3mm试样，实验所需的工作面积为10mm×10mm.依次用蒸馏水和酒精清洗试样表面，以去除试样表面的污渍.用锡箔导电胶带将绝缘铜导线的一头连接在试样工作面的相对面上，再用PP-R塑料管和义齿基托树脂对试样进行镶嵌，使其10mm×10mm的工作面和绝缘导线的另一端暴露在外.待义齿基托树脂凝固后，用砂纸按照由粗到细依次从50＃～2 000＃对试样工作表面进行打磨.打磨完成后依次使用蒸馏水和酒精对试样进行清洗并吹干备用.用蒸馏水和分析纯化学试剂配制出模拟塔里木油田腐蚀溶液，腐蚀介质成分及质量浓度为（mg／L）：Cl-（1×105）、HCO-3 （1.1×103）、SO2-4 （1×104）、Mg2＋ （1.5×104）、Ca2＋ （3.5），H2S、CO2常压饱和，腐蚀介质pH选定为4. 电化学实验选用上海辰华CHI660D电化学工作站，采用三电极系统，试样为工作电极，参比电极为Ag／AgCl电极，辅助电极为铂电极.对于恒电位极化实验，设置-1.5V为初始电位，以0.01V／s的扫描速率扫描到0.3V.实验前预先向模拟实际工况腐蚀溶液中通入高纯氮气除氧3h.测试温度设为20、50、80℃，每个温度设定2组复杂腐蚀溶液：含CO2组、不含CO2组.其中，通入0.1MPa高纯CO2直至试验结束使溶液中CO2始终处于饱和状态.极化曲线是一种研究金属材料耐蚀性能和抗点蚀性能的有效方法［6］.运用电化学工作站，可得到相关极化曲线.根据极化曲线应用电化学仪器分析软件可得到材料的自腐
蚀电流密度Ⅰcorr及极化曲线，阳极半支电流密度为100μA／cm2处取对应的电位，即为该金属的点蚀电位Eb100参数.
2 实验结果
2.1 4种不锈钢在不含CO2复杂腐蚀介质中的电化学腐蚀性能
图1为4种不锈钢在模拟塔里木油田实际工况不含CO2的腐蚀介质溶液中3种温度条件下的Tafel极化曲线.可见4种不锈钢的自腐蚀电位相差不大，都在-0.8～-0.9V.
表1为4种不锈钢在3种温度条件下由极化曲线得到的自腐蚀电流密度Ⅰcorr及金属的点蚀电位Eb100等参数.
图2为304不锈钢在3种温度条件下腐蚀后的SEM形貌.由图可见，20℃时，基体表面出现腐蚀现象；50℃时，腐蚀加剧；80℃时，腐蚀现象明显，基体表面出现严重腐蚀.图3为316L不锈钢在3种温度条件下腐蚀后的SEM形貌.可以看出，20℃时，基体表面基本无明显腐蚀现象；50℃时，出现一定程度的腐蚀；80℃时，腐蚀加剧，点蚀坑明显.图4为2205不锈钢在3种温度条件下腐蚀后的SEM形貌.可以看出，20℃时，基体表面基本无腐蚀；50℃时，表面出现腐蚀；80℃时，表面粗糙，腐蚀程度加深.图5为2507不锈钢在3种温度条件下腐蚀后的SEM形貌.可看出，20℃时，基本无腐蚀；50℃时，无明显腐蚀现象；80℃时，基体表面出现一定程度的腐蚀.
2.2 4种不锈钢在含CO2复杂腐蚀介质中的电化学腐蚀性能
图6为4种不锈钢在模拟塔里木油田实际工况含有CO2的腐蚀介质溶液中3种温度条件下的Tafel极化曲线.可以看出，4种不锈钢的自腐蚀电位相差不大. 表2为4种不锈钢在含CO2下3种温度条件下由极化曲线得到的自腐蚀电流
密度Ⅰcorr及金属的点蚀电位Eb100等参数.
图7为304不锈钢在3种温度条件下腐蚀后的SEM形貌.20℃时，基体表面腐蚀现象明显；50℃时，表面形成了致密的腐蚀保护膜及少量点蚀坑；80℃时，腐蚀继续进行，基体表面点蚀大量增多，局部出现腐蚀膜破裂.图8为316L不锈钢在3种温度条件下腐蚀后的SEM形貌.20℃时，基体表面出现少量点蚀；50℃时，表面形成了腐蚀保护膜，点蚀发展不明显；80℃时，表面点蚀坑大量增多，腐蚀现象明显.图9为2205不锈钢在3种温度条件下腐蚀后的SEM形貌.20℃时，基体表面无腐蚀现象；50℃时，出现腐蚀，表面变粗糙；80℃时，局部腐蚀明显.图10为2507不锈钢在3种温度条件下腐蚀后的SEM形貌.20℃时，基体表面无腐蚀现象；50℃时，腐蚀现象亦不明显；80℃时，基体表面形成微薄腐蚀保护膜.
3 结果分析
3.1 温度对不锈钢耐蚀性能的影响
由表1、2可知，在复杂腐蚀介质中无论是否通入CO2，随着温度的升高，4种不锈钢的自腐蚀电流密度Ⅰcorr及其点蚀电位Eb100有着相同的变化趋势，即自腐蚀电流密度Ⅰcorr随着温度的升高逐渐增大，而其点蚀电位Eb100随着温度的升高逐渐减小.在该介质中不论是否通入CO2，随着温度的升高，4种不锈钢的腐蚀形貌变化都是开始呈现出一个完整的不锈钢表面，逐渐出现全面腐蚀及局部腐蚀，同时不同程度生长腐蚀保护膜，随着腐蚀加剧，保护膜破裂脱落后进入不锈钢基体内更深层次的腐蚀.从图2～5、7～10比较可以看出，随着温度升高，不锈钢腐蚀加剧.这些变化表明，在该复杂腐蚀介质中，温度升高，会加快腐蚀过程的进行.温度升高，加快了Cl-等腐蚀性离子的运动，即加快了
离子对基体的侵蚀，腐蚀才更为剧烈. 3.2 CO2对不锈钢耐蚀性能的影响
分别对比表1、2中同种不锈钢在相同温度条件下的自腐蚀电流密度Ⅰcorr及不锈钢的点蚀电位Eb100.可以看出，CO2的通入，对不锈钢腐蚀的影响较为复杂［7-9］.20℃时，通入CO2相对于不通CO2的试样，4种钢的自腐蚀电流密度Ⅰcorr均有所增大，而4种钢的点蚀电位都有所减小，即CO2的通入促进了腐蚀.50、80℃时，通入CO2相对于不通CO2，4种钢的自腐蚀电流密度Ⅰcorr反而有所减小，而4种钢的点蚀电位却有所增大，则CO2的通入抑制了腐蚀过程的进行.观察图2～5、7～10，在20℃时，不通入CO2，基体表面腐蚀不明显；而通入CO2后，腐蚀现象增强.说明在20℃下，CO2的通入增强了腐蚀溶液的腐蚀性.由于CO2易溶于水，一部分CO2以结合较弱的水合分子的形式存在于腐蚀溶液中，一部分CO2形成碳酸，电离出H＋，而电离出的H＋会降低腐蚀溶液的pH值，且H＋是一种强去极化剂，从而增强了溶液的腐蚀性［10］.50、80℃温度下，不通入CO2，不锈钢表面不易形成腐蚀产物膜，腐蚀以全面腐蚀为主；而通入CO2后，腐蚀产物膜容易形成，且排布致密，腐蚀以局部腐蚀为主.即50、80℃下，CO2的通入降低了溶液的腐蚀性.这与CO2的腐蚀机理有关，当腐蚀温度高于40℃时，铁基合金表面会形成一层CO2腐蚀产物膜，这层产物膜具有良好的致密性，对材料能起到保护作用［11］.
3.3 4种不锈钢耐蚀性能的比较
分别在表1、2中对比相同温度条件下4种不锈钢的自腐蚀电流密度Ⅰcorr及其点蚀电位Eb100可以得到，不论复杂腐蚀环境中是否通入CO2，随着温度
不同种不锈钢电化学腐蚀性能的对比
