【钢材二氧化碳腐蚀研究】二氧化碳对钢材

来源:成人教育 发布时间:2019-03-12 05:40:01 点击:

  二氧化碳普遍存在于我们生活之中,随着科技的进步,二氧化碳被开发出包括作制冷剂、化工原料在内的很多用途。但二氧化碳带来的腐蚀也是油气工业和石化工业中经常遇到的严重问题之一,这也造成了经济上的很大浪费。
  二氧化碳腐蚀的主要影响因素包括两种:第一,钢材的热处理状态及其化学成分属于钢材材质因素。第二,环境因素主要包括:温度(T)、二氧化碳分压(PCO2)、溶液的pH值、钢铁表面膜与结垢状况、溶液介质的化学性质、流速(v)等。
  
  1 钢材材质的影响
  
  (1)钢材热处理状态的影响
  钢材表面碳化物的量随着CO2腐蚀的进行而增加,其主要成分是Fe3C。钢材的原始金相组织决定表面碳化物的形态,多种结构碳化物的形成,有利于FeCO3的沉积。另外,钢材的显微组织不但决定了腐蚀产物和垢层与钢材之间的粘附性同时还决定了钢材表面生成腐蚀产物和垢层的厚度。
  
  (2)化学成分(合金元素)的影响
  合金元素对CO2腐蚀有很大的影响。含铬、钼的钢材对CO2腐蚀有一定的抑制作用。有报道说,在钢材中若存在Ni元素则会使CO2腐蚀速率变大。Cr是提高合金耐CO2腐蚀最常用的元素之一。IkedaA等人针对不同Cr含量钢材进行了动态腐蚀模拟试验,试验结果表明,对试样腐蚀产物膜处理后,发现低Cr钢发生严重的局部腐蚀。腐蚀产物膜中Cr元素的大量存在造成了Cr钢的耐蚀性。在潮湿的环境下,Cr钢表面生成致密腐蚀产物膜,腐蚀产物膜厚度随Cr含量的升高而变薄[1,3]。同时另有文献报道,钢材最大腐蚀速率所对应的腐蚀温度随钢材中铬含量的增加而升高。
  
  2 环境因素的影响
  
  (1)温度对CO2腐蚀的影响
  温度对CO2腐蚀的影响主要基于以下几方面的因素:
  1)随着温度的升高,介质中CO2的溶解度变小。
  2)温度升高的同时腐蚀反应速率加快。
  3)腐蚀产物膜的形成受温度影响。
  
  (2)CO2分压的影响
  工程中各种材料自身的抗蚀性及其腐蚀产物在金属表面的成膜性均可通过平均腐蚀速率来判断。一般情况下,平均腐蚀速率随着CO2分压的升高而升高。另外一方面材料表面膜的厚度随CO2分压升高而增厚,增强了对材料的保护性,便显出降低腐蚀速率的趋势,因而CO2分压对腐蚀速率的影响需结合温度具体分析。
  
  (3)流速的影响
  高流速缩短了腐蚀介质到达金属表面的传递时间,且金属表面腐蚀产物膜的形成也受到一定程度的影响,高流速促进液体对金属表面的冲刷作用,破坏已形成的保护膜。所以,腐蚀速率随着流速的增大而增加。
  
  (4)pH值的影响
  一般来说,pH值的增大,使H+含量减少,降低了原子氢还原反应速度,从而降低了腐蚀速度。裸钢在pH低于3.8的含CO2除O2水中,腐蚀速率随pH降低而增大,表明此时二氧化碳对腐蚀的影响主要体现在pH对腐蚀的影响。实验结果表明,当pH在4~6之间时,裸钢在CO2饱和溶液中的腐蚀速率高于在不含CO2的相同pH溶液中的情况。这表明CO2对腐蚀的影响不仅体现在pH对腐蚀的影响,也体现了对裸钢CO2腐蚀的催化作用。
  pH值的变化,也直接影响金属材料在含CO2介质中腐蚀产物的形态、腐蚀电位等。
  
  (5)Cl-的影响
  Cl-对合金钢的影响不同于对非钝化钢的影响。合金钢孔蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀均由于Cl-的存在形成的。Cl-在溶液中的存在影响CO2在溶液中的溶解度,常温下使二氧化碳浓度降低,从而降低碳钢的腐蚀速率。有研究表明,钝化膜形成很大程度上受Cl-的存在的制约。因而,Cl-对CO2对金属的固体力学化学腐蚀有很大的影响。但对CO2流体力学化学腐蚀及CO2常规腐蚀的腐蚀速率及腐蚀形貌影响不大。
  
  (6)O2含量的影响
  O2与CO2共存于水中会引起严重腐蚀。当钢铁表面尚未生成保护膜时,碳钢腐蚀速率随O2含量的增加显著升高;如果在钢铁表面生成了保护膜,则溶液中O2的存在对碳钢腐蚀速率影响很小。在饱和的O2溶液中,CO2的存在也将会大大提高钢铁的腐蚀速率,因为此时CO2在腐蚀中起到催化剂的作用。
  
  3 小结
  
  解决实际问题时,不可能将所有的影响因素都考虑在内,需要结合工程的实际情况考虑,如对石油工业中的钢材腐蚀影响因素进行研究时,还需要结合原油组分,有机酸等的影响进行综合考虑。对目前已知的二氧化碳腐蚀影响因素中,对温度和压力的影响研究较透彻,也普遍认为温度和压力是影响二氧化碳腐蚀的最主要因素。随着对CO2腐蚀的深入研究,对CO2腐蚀各影响因素的重要性将会有更深入和新的认识。

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