氯離子濃度對(duì)304不銹鋼耐蝕性能的影響

摘 要：用動(dòng)電位掃描法、環(huán)狀陽(yáng)極極化曲線(xiàn)法、交流阻抗法研究了304不銹鋼在模擬冷卻水中的耐腐蝕性能的影響。動(dòng)電位掃描顯示Cl-的濃度增大，不銹鋼的點(diǎn)蝕電位Eb降低，特別當(dāng)[Cl-]>200 mg/L時(shí)，不銹鋼電極會(huì)出現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象，點(diǎn)蝕電位Eb迅速降低，并隨濃度增大而減少；保護(hù)電位與擊穿電位的差值的大小反映了不銹鋼鈍化膜自我修復(fù)的能力；由交流阻抗圖譜得到隨氯離子濃度的增大，不銹鋼界面阻抗值降低。

關(guān)鍵詞：腐蝕；凝汽器；氯離子濃度；304不銹鋼

中圖分類(lèi)號(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）35-0174-03

發(fā)電廠(chǎng)凝汽器可選管材主要為各類(lèi)無(wú)縫銅合金管、鈦管和不銹鋼管（以薄壁焊接為主），環(huán)境惡化又使冷卻水水源的污染日趨嚴(yán)重， 從而使銅合金的腐蝕愈發(fā)突出，越來(lái)越多的內(nèi)陸電廠(chǎng)將趨向于使用不銹鋼管。不銹鋼凝汽器目前在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，還主要集中在內(nèi)陸地區(qū)。主要材質(zhì)為304，316型不銹鋼。凝汽器管材的選擇主要是根據(jù)冷卻水的水質(zhì)狀況。選擇凝汽器管材的要求是：對(duì)各種管材采用一般的維護(hù)措施，在使用中不出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕和泄漏，銅合金的使用壽命應(yīng)在20 a以上，而欽管應(yīng)在40 a以上。選材還應(yīng)從管材的價(jià)格維護(hù)費(fèi)用等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，并不是越 “高級(jí)”越好。

從1989年上安電廠(chǎng)第1臺(tái)350 MW機(jī)組的不銹鋼管凝汽器投入運(yùn)行，目前我國(guó)電廠(chǎng)已設(shè)計(jì)使用不銹鋼管凝汽器有20多年歷史。20世紀(jì)90年代我國(guó)電廠(chǎng)的不銹鋼管主要來(lái)自進(jìn)口，由于不銹鋼管在我國(guó)實(shí)際運(yùn)行起步晚，經(jīng)驗(yàn)不足，不銹鋼管的使用暫時(shí)還沒(méi)有形成相當(dāng)規(guī)模，也面臨著一些問(wèn)題，但薄壁焊接不銹鋼管凝汽器的使用仍呈明顯的逐漸上升趨勢(shì)。

由于冷卻水中通常含有氯離子、硫酸根、硫及磷酸根等。其中氯離子是破壞不銹鋼鈍化膜最重要的侵蝕性離子。研究氯離子對(duì)不銹鋼耐蝕性能的影響成為許多腐蝕工作者一項(xiàng)重要的任務(wù)，本課題在前人研究基礎(chǔ)之上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不銹鋼在不同氯離子濃度的模擬冷卻水溶液中的腐蝕極化情況以及交流阻抗情況進(jìn)行分析，研究氯離子對(duì)不銹鋼耐腐蝕性能的影響情況。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)材料為304不銹鋼板材。將不銹鋼加工成面積為大約為1 cm×1 cm 的試片（實(shí)際用的面積為1.1 cm×1.1 cm）， 工作面背面焊上導(dǎo)線(xiàn)， 用環(huán)氧樹(shù)脂封裝非工作面。實(shí)驗(yàn)前用0～6#砂紙逐級(jí)打磨后， 再用酒精脫脂， 風(fēng)干備用。

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)是參照某廠(chǎng)的循環(huán)冷卻水水質(zhì)配制了實(shí)驗(yàn)用模擬冷卻水，見(jiàn)表1。為防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生沉淀， Ca2+、Mg2+離子濃度比實(shí)際使用的循環(huán)水要小。配制不同濃度的氯離子溶液（以NaCl 形式加入）。在配置溶液的時(shí)候，配置5倍于模擬冷卻水濃度的母液2 L，此時(shí)[SO■■]=360 mg/L×5。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，在以上模擬冷卻水成分除氯離子和鈉離子濃度以外，其它成分不變，通過(guò)添加氯化鈉量使得氯離子濃度分別為0、100、200、300、400、500、600 mg/L。

動(dòng)電位掃描法和環(huán)狀陽(yáng)極極化曲線(xiàn)法測(cè)定儀器為EgGModel283恒電位儀，采用M352軟件系統(tǒng)，掃描速度2 mV/s。測(cè)定時(shí)以碳棒電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，304不銹鋼電極為工作電極。實(shí)驗(yàn)前將M283恒電位儀預(yù)熱30 min，然后將電極置于模擬冷卻水中浸泡30 min，使電位顯示達(dá)到穩(wěn)定值，以還原其表面的氧化物，提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。文中電位均相對(duì)于飽和甘汞電極。

實(shí)驗(yàn)中阻抗測(cè)試儀器為EgG M283恒電位儀和5210鎖相放大器，由PAPC M398軟件控制，測(cè)試結(jié)果用EQUIVCRTR軟件進(jìn)行阻抗數(shù)據(jù)解析。正弦波信號(hào)幅度為5mV，頻率范圍為100 kHz～5 MHz。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)電位掃描法測(cè)定氯離子對(duì)304不銹鋼耐蝕性能

的影響

圖1 為不銹鋼電極在含不同濃度氯離子（硫酸根離子濃度為360 mg/L）的模擬冷卻水中測(cè)得的極化曲線(xiàn)。。由圖1可以得到304不銹鋼電極點(diǎn)蝕電位與[Cl-]的關(guān)系，見(jiàn)表2。圖1中顯示曲線(xiàn)1為不含氯離子時(shí)的極化曲線(xiàn)，鈍化區(qū)電位范圍為-0.2 V到+1.0 V左右，電位大于1.0 V時(shí)出現(xiàn)過(guò)鈍化。表2顯示當(dāng)[Cl-]<200 mg/L的時(shí)候，氯離子的增加沒(méi)有引起陽(yáng)極極化曲線(xiàn)的明顯改變，極化曲線(xiàn)與沒(méi)有添加氯離子時(shí)的曲線(xiàn)幾乎重合，此濃度范圍氯離子沒(méi)有促進(jìn)304不銹鋼的點(diǎn)蝕是由于模擬溶液中

S0■■的緩蝕作用；當(dāng)[Cl-]>200 mg/L的時(shí)候，極化曲線(xiàn)還沒(méi)有顯示過(guò)鈍化的時(shí)候，掃描至較低的電位就出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。隨著氯離子濃度的進(jìn)一步增大，304不銹鋼的點(diǎn)蝕電位Eb逐漸降低。

2.2 環(huán)狀陽(yáng)極極化曲線(xiàn)對(duì)304不銹鋼在特定氯離子濃

度下的研究

在[Cl-]=200mg/L濃度下研究了304不銹鋼的環(huán)狀陽(yáng)極極化過(guò)程，如圖2顯示。由圖2知道，304不銹鋼電極的點(diǎn)蝕電位為653 mV，此時(shí)的腐蝕電流值為

14.39 μA/cm2。當(dāng)擊穿電位與保護(hù)電位的差值越大，說(shuō)明不銹鋼表面鈍化膜的修復(fù)功能越強(qiáng)，或者是不銹鋼表面鈍化膜的性能越好，不易被破壞。在該濃度下測(cè)得的結(jié)果顯示擊穿電位與保護(hù)電位在310 mV左右，說(shuō)明在該濃度下不銹鋼的鈍化膜的自我修復(fù)能力還不是很強(qiáng)。

2.3 交流阻抗法研究氯離子對(duì)304不銹鋼耐蝕性能的

影響

為更好的表征氯離子對(duì)304不銹鋼電極耐蝕性能的影響，本實(shí)驗(yàn)還采用了交流阻抗法進(jìn)一步研究不同氯離子濃度對(duì)304不銹鋼電極的影響。如圖3為304不銹鋼電極在[Cl-]=200 mg/L的模擬冷卻水中的阻抗圖。由電化學(xué)阻抗圖譜得到在該濃度下304不銹鋼表面鈍化膜的情況。

隨著氯離子濃度是增大，測(cè)得的交流阻抗圖譜呈現(xiàn)一定的規(guī)律，見(jiàn)表3。這些結(jié)果是與動(dòng)電位掃描法得出的結(jié)果相一致的。由動(dòng)電位掃描法得出隨著氯離子濃度增大，點(diǎn)蝕電位逐漸減少，而交流阻抗法得出隨著氯離子濃度增大，不銹鋼表面鈍化膜的生長(zhǎng)被阻滯，氯離子對(duì)鈍化膜有破壞作用。

3 結(jié) 論

利用動(dòng)電位掃描陽(yáng)極極化曲線(xiàn)、交流阻抗圖譜、環(huán)狀極化曲線(xiàn)對(duì)模擬冷卻水中影響304不銹鋼耐蝕性能的主要離子——氯離子進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

①在本文實(shí)驗(yàn)條件下，304不銹鋼在模擬冷卻水中的動(dòng)電位掃描陽(yáng)極極化曲線(xiàn)顯示：點(diǎn)蝕產(chǎn)生的氯離子臨界濃度為大約[Cl-]=200 mg/L左右，點(diǎn)蝕電位隨氯離子濃度的增加而逐漸下降。

②交流阻抗（電化學(xué)阻抗）譜測(cè)定結(jié)果顯示：模擬冷卻水中氯離子存在時(shí)使不銹鋼電極的界面電阻R值降低。說(shuō)明了氯離子對(duì)304不銹鋼鈍化膜生長(zhǎng)的阻滯破壞作用。

③環(huán)狀極化曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在[Cl-]=200 mg/L時(shí)，304不銹鋼的保護(hù)電位在340～350 mV左右，離點(diǎn)蝕電位653 mV相差300多mV，在該濃度下不銹鋼表面鈍化膜性能不是很好，自我修復(fù)能力不是很強(qiáng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，新建的電廠(chǎng)一般采用不銹鋼為凝汽器管材，但對(duì)不銹鋼在冷卻水中的耐蝕性能和影響因素未作系統(tǒng)研究。在此背景下，本文就不銹鋼在模擬冷卻水中耐蝕性主要因素——氯離子對(duì)304不銹鋼鈍化膜破壞作用及防止進(jìn)行了研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，304不銹鋼在常溫下發(fā)生點(diǎn)蝕的氯離子臨界濃度為大約為200 mg/L左右，而我國(guó)內(nèi)陸淡水氯離子濃度的含量在10 mg/L左右，內(nèi)陸淡水冷卻電廠(chǎng)完全可以在凝汽器使用中選用304不銹鋼管。當(dāng)然在凝汽器選擇過(guò)程中，除了首先要深入研究冷卻水氯離子濃度作為重要參考數(shù)據(jù)外，還要考慮循環(huán)冷卻水的運(yùn)行方式和加藥處理方式，因?yàn)椴煌倪\(yùn)行方式和加藥處理也會(huì)引起氯離子濃度的變化，設(shè)計(jì)的時(shí)候也要綜合考慮。

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