碳钢在煤水两相介质中的腐蚀行为【精品论文】 .pdf

第 1 3 卷 第 2 期 2 0 0 1 年 3月 腐蚀科 学与防护技术 c0rr os i on s c i en ce and p rot ecr l on t ec hnology v口 1 1 3 no 2 ma r 2 0 0 1 碳钢在煤水两相介质中的腐蚀行为 孙智 张 绪平 陈 涛 ( 1 中国矿业大学材料工程系 徐 州 2 2 1 0 0 8 ) ( 2 永夏煤 电集 团公司 永城 4 7 6 6 0 0 ) 摘要采用失重及 电化学方法研兜 了碳钢在煤水两相介质中的腐蚀行为 结果 表 明 在煤水 两相 介质 中 钢 的腐蚀 既不同于钢 在均相水 中的腐蚀， 也不同于与煤整体接触 形成的腐蚀， 腐蚀的初始形 态为坑状。 表象为均 匀腐 蚀 具 有一定腐 蚀性的 固相( 高煤化 度的煤) 明显加速钢 的腐 蚀 关键词煤两相介质腐蚀电化学 中圈分类号t g 1 7 2 文献 标识码a 文章编号1 0 0 2 6 4 9 5 ( 2 0 0 1 ) 0 2 0 1 1 6 0 3 c0rr0s i on behavi or 0f plai n carbon s t eel i n tw 0- phas e m edi um 0f coal and w ater s un z h i ， z hang xu p i n g c hen t a o 2 ( 1 d e t mv * m e n t m a t q a l e n g i n e e r i n g ， c h i n a u n & ,e r v i t y mi n i n g a n d t e c h n o l o g y ， xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ) ( 2 y o n g acoa l a n dp o v rg r o u pc o ， y o n g c h e n g 4 7 6 6 0 0 ) ab s t ra ct th e e l e c t r o c h e r n i c a l c o r r o s i o n b e h a v i o r o f p l a i n c arb on s t e e l i n t won h n ee me d i u m wi t h c o a l a n d wa t e r wa s s t u d i e d wi t h ma s s l o s s me a s u me n t s a n d de c t r o c h e mi c a 1 p o l a r i z a t i o n t e s t s th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e cor r o s i o n o f s t e e l i n山e t wo - p h a s e me d i u m i s n o t 1 i k e山a t i n a u n i f o r r n s o l u t ion o f wate r o r t h at con t a c t e d wi t h b l o c k a 1 th e cor r o d e d s l l r f a o e o f s t e e l l o o k s l i k e u n i f o nn cor r o s i o n h o we v e r i t a c t u a l l y i s p i t s c o r r o s i o n i n t h e b e g i n i n g th e cor r o s i o n r a t e i s r e l a t e d t o t h e c h a r a c t e r a n d s i z e o f s o li d p h a s e a l t h o u g h t h e e l e ctr o c h e mi c a l p r o c e s s o f s t e e l d o e s n o t c ha n g e i n t h e t wo - p h a s e me d i m t h e col -r o 6 1 v e s o h d p h a s e( s u c h a s c o a l w i t h h i g h e r d e g r e e o f coa l i f i c a t i o n ) i n the me d i u m o b v l o u s l yinc x- e a fl t hecor r o 6 i o n r a t e o f s t e e 1 th ecol t o i o nme e h an i s m o f s t e e l i nth et wo - p h a s eme diu r nwas a l so d i s c u s s e d kby w 0rds c o a 1 ，t wo-p h a s e me d i um，cor r o s i o n ，de c t r o c h e mi c a l 近期研究表明， 金属在具有一定电导性的煤 中 的腐蚀不 同于在其它非 电导性煤中的腐 蚀l 1 不 同 煤质的煤对金属的腐蚀过 程作用明显不 同 在中性 水介质中， 与高煤化度的煤( 无烟煤类) 接触的相对 电位低的金属， 其腐蚀速率是在同条件下与低煤化 度的煤接触 的金属 的 3倍以上| 2 j 研究在煤水两相 介质中的金属 的腐蚀规律， 对煤炭的开采、 运输和转 化过程中的金属构件的腐蚀 防护是很有意义的 同 时， 在金属腐蚀研究中， 主要的研究对象 多在溶饵性 单相介质中_4 j ， 或将不同的金属接触后作为偶合电 极考虑 ， 而在液固两相介质中的腐蚀规律研究较 煤炭科学基金资助( 9 4 机 1 0 1 0 3 ) 收穑初稿： 2 0 0 0 - 0 3 一 t o ； 收到修改椿： o 0 _ 0 s 0 g 作者简介t 孙智， 舅 1 9 6 3 年生， 博士 副教授 少 本文应用电化学试验 结合普通碳钢在煤水两相 介质中的腐蚀研究钢在液 固两相介质中腐蚀的电化 学规律 1实验方法 用两种无烟煤和两种瘦 煤配制成煤水两相介 质， 试验煤和介质的物化参数测试结果如表 l 所示 实验 用 钢为 普碳 钢 0 2 3 5 ， 尺寸 1 2 ran 2 x 3 mm， 用铜导线焊接 用金相砂 纸打磨试 样表面 、 圆 周和背面 用环氧树脂封涂 棵 露面积为 1 1 c r n 所有钢试样经完全退火处理， 用恒 电位法测试钢在 实验介质中的极化 曲线和线性极化 电化学参数 测 试前 试样在其腐蚀系统中稳 定 3 0 r n i n ， 以获得 比 较稳定的相对电位 参比电极为过饱和甘汞电极， 维普资讯 2期 孙智等 ： 碳钢在煤水两相介质中的腐蚀行为 1 1 7 辅助电极为 p t 片， 面积 1 4 4 c l a l 2 步进扫描 电位间 隔 1 0 mv， 每一电位下稳定 3 ml n 失重实验试样表面打磨后用酒精冲洗， 烘干， 称 重， 置于煤水两相介质 试验后的试样经去锈、 酒精 冲洗， 烘干后称重 在 0 1 m g精度天平上称重。 每个 试样由两人平行称重 3次 平行试样 3 个 将试验用煤破碎、 过筛， 煤的粒度 3 m 将表 1中试验用矿井水与相同量 的煤混合， 使水面较煤 面高出 5 ml n ， 形成煤水两相介质 试验时， 将试样、 参比电极和辅助电极插入煤水中 试样在煤 水两相 介质中布放时尽力保持试样与煤水均匀接触和试样 之间均匀一致 2结果与讨论 2 1钢在煤水两相介质中的腐蚀速率 试验用钢在煤水两相介质中的腐蚀失重测试结 果示于图 1 碳锕在各种介质 中的腐蚀失重量随着 时间的延长而增加 ， 而腐蚀速率则基本上随着时间 的延长而有所降低 图 1的结果显示在煤水两相介 质 中， 钢的腐蚀速率与煤水单相介质中相 比， 基本上 呈现出两种变化趋势 如果把 1和 2介质( 含无烟 煤) 作为一类， 3和 4介质( 含瘦煤 ) 作为一类。 则这 两类煤水介质中金属 的腐蚀率 明显不 同 前一 类介 质中的腐蚀比单相煤 水中快 2 3倍， 而后一类介质 中则与水中基本相 同 尽管第一个周期后所有介质 中钢的失重都有所降低， 但随着时间延长。 两类介质 中钢的失重量的差别的趋势却增大 由于表 1中所 示 4种介质( 水) 的化学成分基本相同， 因此可知在 上述系统中， 导致钢 的腐蚀速率不同的 因素为介质 中的煤的特性 在煤水介质中测得 的 o 2 3 5钢腐蚀 电流的变化 与失重实验结果是一致的 与 2 煤接触的金属腐蚀 电流变化的波动比与 4 煤接触以及在水中大 2 2金属在煤水两相介质中的极化行为 钢在煤水两相介质中的典型极化曲线如图 2所 示( 表 1中 2 # 、 4 煤水介质和 2 # 、 4 水 中) 在煤水 两相介质和无煤的矿井水 中， 与煤接触的钢的阳极 极化和阴极极化 曲线的形状 总的来说是基本相 同 的， 在一个较宽的极化范围内， 金属处于活化极化状 态 ， 极化曲线中未出现明显的钝化和过钝化区 从金 属在 中性介质中的腐蚀过程【 4 可知 ， 类似的极化过 程为氧扩散控制过程 然而， 从钢在不同条件中的极 化曲线可以看出， 钢在不 同介质中的极化速率和极 化参数( 见表 2 ) 有很大不同 钢在 4 # 煤水介质和 4 水中的腐蚀极化 曲线的变化 的规律 和在 2 煤水及 水中是基本相同的， 但显示的腐蚀速率在两种条件 下有所不同 在两相介质 中， 2 煤对腐蚀 的影响不 同于 4 煤 e 旦 t i me， d f i g 1th e r n a 5 sl o s s o f s t e e li n 8 tme d i u m 一i n 1 r n e d il n v i n 2m e c m 一_mn o 3 i i 】e d i m 一i n4i i 】e d im 一i nno 5md 宅 一 6 0 0 、 u j 。8 00 1 0 00 1 i u a c o il l 2 th e p o la r iz a t i o n c l j i -ig e o f i n mi n i n g me u m 一i nno 2me d i u m w i t h o u t c o 1 一i nno 2me d i - u m wi t h 且 l v j nno 4me d i u m wi t h o u t 且 l 一i n no 4 me d i u m wi t h 且 l 维普资讯 l h t b ma 1 ) l ( ht h o l t ma 1 ) 2 ( 出 ) 2 ( v t h o u t ma 1 ) 3 ( h t h c o d ) 3 ( ht h o u t c o d ) 4 h t b ma 1 ) 4 ( ht h o u t ) *p r d j n d a r i z a a n r e 出 诅 n c e 2 3液固两相介质中金属腐蚀特点 在电解质溶液 中， 当金属与其电位不同的另一 固体接触时， 在接触面上发生接触腐蚀效应， 但并不 改变金属的电化学腐蚀历程， 亦并不改变腐蚀发生 的原因 】 在本实验 中， 介质的 p h值升于 中性 ， 除 去介质中微量金属离子 的电化学作用， 金属 腐蚀的 主要过程应为吸氧腐蚀， 即阳极为 f e f e 2 的氧化 和阴极为氧的还原过程 xr a y衍射分析 表 明， 在上述试验条件下 金属 的腐蚀产物为 f e 3 0 4 和 n f e o oh， 亦即说明在此条 件下， 金属的腐蚀主要 为阳极金属的氧化过程 而前述实验和分析结果显 示， 在实验所示的液固两相介质中， 金属的腐蚀动力 学过程既不同于金属在均相渡体介质 中的腐蚀， 也 不同于金属与均相固体接触形成的接触腐蚀， 而是 介于两者之间的一种状态， 相应的金属 的腐蚀速率 介于两者之间 液固两相介质中金属的腐蚀主要受固相颗粒大 小、 分布状 态和 固相物质 的电化学性 质_ 6 的影 响 现在讨论介质中的固相为导电相且相对电位高于金 属时的情况 如 图 3 ( a ) 所示， 在固相与金属接触 的 点上 金属与其接触的固相间产生接触腐蚀效应， 其 实际效果相当于在金属 与介质中固体( 煤) 之间形成 p o t e n t i a l d en c it y 电化学电池回路 由于介质中固体的分散性 和与金 属的接触状态不同于异种金属 接触， 因而在金属和 煤接触面上产生多个微的或小的电偶 与金属接触 越紧密的部位， 固体( 煤) 与金属间的阻抗越小， 电位 密度越大， 阳极承担的电流亦超大 在这些接触点及 附近首先产生腐蚀并形成小腐蚀坑( 图 3 b ) 因此在液 固两相介质中的金属腐蚀， 当分散固 相具有腐蚀电池 阴极特性时， 腐蚀的特点即为金属 接触面上多个微 的或小的接触电偶作用的组合， 腐 蚀由坑状开始， 最后 小坑扩 展， 形 成宏观 的均匀腐 蚀 2 4液固两相介质中固体相对金属腐蚀的作用 由两类煤介质 中金属腐 蚀的试验结果可知， 渡 固两相介质中分散固相对金属腐蚀的作用可分为两 类， 一类是如前所述 的分散 固相具有 比接触金属高 的电化学位且具有一定 的电导性 这类 固相与金属 接触时， 在介质 中形成镦 电偶作用， 加速金属的腐 蚀 另一类如 同 3 、 4介质中的瘦煤， 这类固相的 电 导率非常低， 尽管在介质中与金属接触， 但不可能形 成如第一类固相那样的微电偶， 它们在介质中的作 用在本研究题 目下可忽略 一 me d i u m 一 l+ + l i + l l m e t a l e 3 th e p o t e n s a a n d c o r t o o n b e h a v i c 。 c o l3 1 e c i ： mt 3 k c o a l a n d m e t a l ( 转第 7 0页) 9 0 6 0 m 4 。 m舢哪虮 卯抛卵 m佗 强 硒 蛐 北 瑚 如 啪 m 靼“ 儿n“坶 似 维普资讯 腐蚀科学与防护技术 ta bl e 3 gai v mi c e f f e c t whg d ni c a s t i r on a nd s s 30 4 o f d i ffe r e nt a r e a t ab 瑚 w r t c o u p l e d 2 3带锈铸铁与 s s 3 0 4的偶接对 s s 3 0 4 的作用 由图 4可见， s s 3 0 4 带锈铸铁面 积比 s越大 ， 耦合电位 e 比 s s 3 0 4阴极活化后的平衡 电位的差 值越小 而这个差值正是对偶接后活化态的 s s 3 0 4 提供阴极保护的极化电位 s：1 6时， 这个极化电位 刚超过 2 0 0 mv 按照去极化 1 0 0 mv的阴极保护标 准_ 1 4 】 来看， 这时还能对 s s 3 0 4提供足够 阴极保护 当面积 比 s继续增大时， 这个极化 电位继续减小， 将会使本身为钝化 态的 s s 3 0 4在偶接 活化后处于 阴极保护不足的状态， 而发生阴极腐蚀 如果面积比 非常大， 有可能不锈钢能保持钝化状态 但这样的面 积 比在本文背景下没有意义 带锈铸铁和 s s 3 0 4 偶接时， 面积比 s太大， 不 仅带锈铸铁的电偶腐蚀效应增大， 而且使 s s 3 0 4在 偶接活化后， 发生阴极腐蚀 因此， 在实际可能的情 况下， 面积 比 s不能太大， 建议最大面积比 s 4为 好 第 l 3卷 3结论 在3 5 n a c l 溶液中， s s 3 o 4 带锈铸铁面积比 s 1 6时， 带锈铸铁和 s s 3 0 4的电偶 电流大小取决 于 s s 3 0 4表面在耦合 电位时的阴极反应速率 随着 面积比s的增大， 电偶电流密度 i 增大； 但 j a c 降低， 而且受限于 s s 3 0 4 表面氧扩敬极限电流密 度 随面积比 s的增大， 带锈铸铁的电偶腐蚀效应 增大， 但相对来说， 电偶腐蚀效应是较小的 面积比 s太大， 可能使本身为钝化态的 s s 3 0 4在偶接活化 后发生阴极腐蚀 所以， 实际应用 中， 面积 比s不能 太大 建议 s 4为好 参考文献 1 m e l df c o r r c e k 1 9 7 3 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 4 0 3 2】 mms e l df c o r r c e ， i 9 7 1 ， 2 7 ( 1 0 ) 4 3 6 3 m蛐f k e n k e l j v c o t r ml o n ， 1 9 7 5 ， 3 l ( 8 ) 2 9 8 4 me l d f k e n k e l j v w幽 u n dk o r r o s u m， 1 9 7 5 ， 2 6 ( 9 ) ； 6 9 9 5 罗兆红等 腐蚀与防护， 1 9 9 6 1 7 ( 4 ) ： 1 6 2 6ma ,d d f c c 。 n ， t 9 7 3 ， 2 9 ( 7 ) ： 2 7 6 7ma ,d d f c c 柙 咖， 1 9 7 3 2 9 ( 2 ) ： 5 6 8 j a vo n矗 i1 r bp j s t a h e l i c o r r c e k m s d 印睫， 1 9 7 2 ， 1 2： 7 6 7 9 s c b 胛如kgd b o w ke ma t e r la h p e r f o r mo c e 1 9 7 8 ， ( 9 ) ： 2 5 【 l o b e l iu 。 d f c o r r c e k m 1 9 9 l ， 4 7 ( t o ) ： 8 0 8 1 1 ( 热处理手册) 编委舍 热扯理手册 第四丹册 北京： 机械工 韭 出版社 工 9 2 1 0 f 1 2 张艳戚 吴荫坤