多离子复合对Q235碳钢在供热管网输配再生水过程腐蚀行为研究.pdf
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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
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