低温地热系统中金属材料耐蚀性研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.03.018 北京铜铁学院学报 1982年第3期 低温地热系统中金属材料耐蚀性研究 金属腐蚀教研室 严广明1李久青肖珩 摘 要 在50℃的地热水中进行了一个月的现场试验。利用失重试验对若干种金属材料 在不同暴露条件下的腐蚀速度进行了测定，利用褂片对某些表面保护层的保护性能 进行了观寒比较，并用线性极化方法测定了间浸条件下金属腐蚀速度随时间的变化 关系。试验结果表明：碳钢和低合金钢在低温地热系统中具有相似的耐蚀性，全浸 条件下均匀腐蚀速度为0.05毫米/年左右，半浸为0.2毫米/年左右，气相为0.3毫 米/年左右，在最恶劣的间浸条件下也不超过0.5毫米/年。如果能设法防止氧进入 系统，其腐蚀速度可以大大降低。2C「13不锈钢有良好的耐均匀腐蚀能力，但半浸 条件下在水线附近出现了孔蚀。铝由于严重的孔蚀，不宜在这样的体系中采用。铜 及铜合金在氧和硫化氢的联合作用下腐蚀被大大加速了。在保证较严格的施工条件 下，RTF涂料在这种体系中能成功地保护金属基体。环氧煤沥青相对经济易得、施 工简便，可对基体进行较好的保护，是用于这种体系中有希望的涂层。 一、前 言 地热资源的利用可以部分地取代矿物燃料，这对扩大能源来源、改变能源组成，减少环 境污染有着重大的现实意义。为延长设备使用期限并尽可能地降低操作和维护费用，经济合 理地开发利用地热资源，就需要考虑腐蚀工程问题。国外对材料在地热流体中的腐蚀问题已 进行了大量的研究工作。近年来，国内一些单位也相继开展了这方面的工作。 北京地区的地热资源属于最低温的地热资源〔1〕。地热现场主体设备深井泵及其他设施 在使用中存在着大量的腐蚀问题〔2)。为评价金属材料在本区地热系统中的耐蚀性及一些表 面保护层的保护性能，作者在北京轧辊厂进行了一个月的现场试验。本报告是试验结果的一 部分，包括： (1)碳钢，低合金钢及一些有色金属材料在不同暴露条件下的失重试验； (2)间浸条件下的线性极化试验， (3)镀层、渗层及涂层的耐蚀性评定。 二、试 验 表1给出了试验介质有关的物理化学性质的数据。试验所用金属材料的化学成份如表 2,表3所示，材料都是供货状态，将其加工为表面光洁度△7的试样。试验共进行768小 166

北 京 铜 铁 学 院 学 报 年第 期 低温地热系统中金属材料耐蚀性研究 金 属腐蚀教研 室 严 广 明 李久青 肖 布 摘 要 在 ℃ 的地 热水 中进行 了一 个 月 的现场 试 验 。 利用失 重 试 验对 若 干种金 属材料 在不 同暴排 条件下 的腐蚀速度进行 了测定， 利 用 褂 片对 某些表 面保 护层 的保护 性能 进 行 了观察 比较， 并用 线 性极化方 法 测定 了间浸 条件下金 属腐蚀 速度 随 时 间的变化 关 系 。 试 验结果表明 碳钢和低合金钢在低 温 地 热系统 中具有相似 的耐蚀 性 ， 全 浸 条件下 均匀腐蚀速度 为 毫米 年左 右 ， 半浸 为。 毫米 年 左 右 ， 气相 为 毫 米 年左 右 ， 在 最 恶劣的 间浸条件下也 不超过 毫米 年 。 如果 能设 法 防止 氧进入 系统 ， 其 腐蚀 速度可 以 大大 降低 。 不 锈钢有 良好 的耐 均匀腐蚀 能力 ， 但半浸 条件下在水线 附近 出现 了孔蚀 。 铝 由于严 重 的孔 蚀 ， 不 宜在 这 样 的体系 中采用 。 铜 及 铜合金在 氧和硫 化氢的联合作用 下腐蚀 被大大加 速 了 。 在 保证 较严格的施 工 条件 下 ， 涂料在这种 体系 中能成 功地保 护金 属墓 体 。 环 氧煤沥 青相对 经 济 易得 、 施 工 简便 ， 可对墓 体进 行 较好 的保 护 ， 是用 于 这种 体系 中有 希 望的涂层 。 一 、 前口 诵 、 一 口 地热 资源 的利 用可 以部分地取 代矿 物燃 料 ， 这 对扩大 能源来源 、 改变能 源组成 ， 减 少环 境污 染有着 重大 的现实意义 。 为延 长设 备使 用 期 限并尽可 能地 降低 操作和维 护 费用 ， 经 济 合 理地 开发 利 用地热 资源 ， 就需要 考虑腐蚀工程 问题 。 国外对材料在地 热 流体 中的腐 蚀 问题 已 进行 了大 量 的研 究工 作 。 近 年来 ， 国 内一 些 单位 也 相继 开展 了这 方面 的工 作 。 北京地 区的地热 资源 属 于最低 温 的地热 资源 〕 。 地 热 现场 主体设 备深井泵 及其他 设 施 在使 用 中存在 着大量 的腐蚀 问题 〔 〕 。 为评价金属材料在 本 区地热 系统 中 的耐蚀性 及一些表 面 保护层 的保护性能 ， 作者在 北京轧辊厂进行 了一 个月 的现场试验 。 本报告是试 验 结果 的一 部 分 ， 包括 碳 钢 ， 低 合金 钢 及一 些 有 色金 属材料在 不 同暴露条件下的 失 重试验 间浸条件下 的 线性 极化 试验 ， 〕 镀 层 、 渗层 及涂层 的 耐蚀性评定 。 二 、 试 验 表 给出 了试 验 介质 有关 的物理 化学性质 的数据 。 试验所 用金 属材料 的 化学 成份如 表 ， 表 所 示 ， 材料都是 供 货状 态 ， 将其 加工为 表而 光洁度△ 的 试样 。 试 验共进 行 ， 、 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．03．018

时，前550小时为间断操作（每天1-5点，8-10点停泵）。试验装置联在井头主管道上。 1.金属材料在全浸、间浸、半浸和气相暴露条件下的失量试验 图1.2.3分别为全浸一半浸，间浸和气相暴露的试验装置图。开泵期间水以126 162升/时的速度流过这些装置，装置1水温45±0.5℃，装置2水温48.5℃，水流经装置3底 部，装置上方温度42℃左右。停泵时瞬装置1水线位置不变。水温逐渐下降（不低于35±1℃）， 装置2中空气倒吸进来，进水口以上水排空，温度下降到21℃。装置3温度降到室温。 在上述装置中分别进行全浸、半浸、间浸和气相的暴露试验，每种条件下同种材料都有 三个平行试样。暴露768小时后根据试验前后称重数据计算腐蚀速度并对一些腐蚀产物用X 光衍射进行了物相分析。 表1北京轧辊厂地热水有关的物理化学数据 项目 含量(mg/1) 项目 含量(mg/I) 项 目 含量(mg/l) Ca* 48.1~9.1 HCO,- 262.4~263.6 H:S 0.1450.357 Mg" 20.8~23.1 C03" 0.0 02 0.48 Na* 90.698.0 S0" 113.4~120.1 C02 4.4~I0.1 K+ 10.312.0 Ce 60.3~62.1 (游离) Fe艹 94.695.0 0.020.12 5.86.0 〔（固定） NH 0.000~0.112 T=50.5℃PH=7.2~8.2 电导，1.152欧姆1·cm1 表2 试验选用黑色金属材料的化学成份 标 号 化学 成 份·% C Si Mn P Cr Ni Cu 其他 10CrMoA/ 0.110.350.470.0150.0051.00 Mo:0.28 A10.64 45号钢 0.500.370.80< ~0.420.17~0.500.0400.0400.025 0.025 40Cr 0.45 0.400.80< 1.10 0.37 ~0.20~0.500.0400.040～0.80 38CrMoAl 0.42 0.400.60 1.35 Mo:0.25~0.15 ~0.35~0.200.30 ~1.15 Ae:1.10-0.70 2Cr13 0.24 0.16 ≤0.60≤0.80≤0.035≤0.03014-12 2. 间漫条件下的线性极化试验 Stern-Geary线性极化方程式(3)表明极化阻力R,和腐蚀电流密度icorr之间存在着反 比关系： :-·△E R。= 1 AI=K. (1) i0F…. 所以由测出的R,随时间的变化关系可以看出瞬时腐蚀速度随时间的变化关系。 167

时 ， 前 。 小时为间断操作 每天 一 点 ， 一 点 停泵 。 试验装置 联在井头主管道上 。 金属材料在全 浸 、 间泌 、 半派和气相撰，条件 下 的失尽试验 图 ， 分别为全浸－ 半浸 ， 间浸和 气 相 暴 露 的 试验 装置 图 。 开 泵 期 间 水 以 升 时 的速度 流过 这些装置 ， 装置 水温 士 ℃ ， 装置 水温 ℃ ， 水流经装置 底 部 ， 装置 上方 温度 ℃左右 。 停泵时瞬 装置 水 线位置 不变 。 水 温逐 渐下降 不低于 士 ℃ ， 装置 中空气倒 吸进 来 ， 进 水 口 以 上水排 空 ， 温度下 降到 ℃ 。 装置 温度降到 室 温 。 在 上述装置 中分别进 行全浸 、 半浸 、 间浸 和气 相 的暴露试 验 ， 每种条件下 同种 材料都有 三个平 行试样 。 暴露 小时后根据试验 前后称 重数据计算腐蚀速 度并 对 一 些腐蚀 产 物用 光衍射进行 了物 相 分析 。 表 北 京轧辊 厂 地 热 水有关 的物理化学数据 项 目 含量 含量 项 目 含量 甘 卜 … 廿 廿 犷 朴 ‘ 项 目 一 。 ’ ‘ 一 一 游 离 〔 固定〕 ℃ 电导 欧 姆一 ， 一 ， 表 试验选 用黑 色金属材料 的 化学成 份 几扁 一二一 一 、子 一 一 令 一 令 、 一 ‘ 奋 ， 」 ’ ‘ 月 号钢 … 获二 。 拓 一 。 。 · · 氏 ， … ， ， 一 一 、 。 。 。 了 。 。 了 。 了 ， 。 ‘ 勺 二 丫 ’ 兮二 乓 乓 一 艺 间 一 祖 条件 一 下 今 线 的 ‘ 性 “ 经 二 极 性 化 止 极 方 二 化 程 试 二 式 验 〔 二 〕表 明极 化阻 力 。 和腐 蚀 电流密度 一 － 之 间－存在着反 比关 系 、 一 一一「扛 △︿卜﹄ 一一 ﹃ 所 以 由测 出 的 。 随 时 间 的 变 化关 系可 以 看 出瞬 时腐蚀 速 度 随 时 间 的 变 化关 系

可以根据某一时间范围内的平均极化阻力豆。和所对应时间的失重数据（换算成腐蚀电 流密度)按(1)式计算K值。平均极化阻力，可根据下式计算： 表3 试验选用的有色金属材料的化学成份 化学成份 % 标号 名称 Cu Al Pb Fe Zn Bi Sn 其他 HPb59-1-1 铅黄钥 57 ~60 80.5余量0.003 1.9 QSn6.5-0.1 锡青锅 余量 0.01 0.010.1 6.54 P:0.13 四号工业纯铝≤0.05 99.3 ≤0.30 Si≤0.35 Fe+Si≤0.60 其他≤0.10 紫铜 杂质总和≤0.70 1 R.=2(tn-t:)(Ro(t:-t)+Ro:(ta-t)+R3(t-t2) A…+R。n-l(tn-tn-z)+Rpn(tn-tn-i)} (2) 其中Rp1、Rp2、Rp3…Rpn为相应于时间t1、t2、t、…tn的瞬时极化阻力。 半漫试样一 空气 有机玻璃盖 进水 真空橡皮垫圈 出水 全浸试样 玻璃支架 图1全浸与半浸试验装置 一出水 直径D=36cm 高度H=30cm 4 图2间浸试验装置 168

可 以根据某一 时间范围内的 平均极化阻 力 盖 。 和所对应 时间的失重数据 换算成腐蚀 电 流密度 按 式 计算 值 。 平 均极化阻 力 豆 可 根 据下式 计算 表 试验选用 的有 色金 属材料 的 化学成份 其他 一 一 一 ‘ 铅黄铜 锡青铜 余量 余量 四 号工业 纯铝 《 《 紫铜 《 《 其他《 杂质 总和《 ， 、 五 。 万不厂一一丁一又一 一 一 找 ‘ 一 ‘ 、 一 件 · · · … … ， 。 一 。 。 一 其 中 、 、 。 · · · … … 为 相应 于 时 ’ 、 、 、 。 的 瞬时极 化阻 力 。 半漫试样 有机玻璃盖 真空橡皮垫圈 出水 全浸试样 玻璃支架 图 全浸与半浸试 验装 置 出水 直径 二 离度 加 昧琳 图 间浸试 验装置

2气 一空气 进水一 出水 (道径D=25cm,H=15cm） 图3气相暴露装置 线性极化试验在间浸条件下进行，采用同种材料三电极体系。测量仪器为FC腐蚀快速 测试仪，工作原理图如图4。图5分别表示柱状电极和板状电极的分布。测量每天进行一次 (试验第一天大约每4小时一次)，一般都是在第二次停泵后两小时后进行，频率全部选用 0.01HZ。 RE WE 11L:-110 RE 图4恒电流线性极化测量装置原理图 图5电极分布示意图 3.皱层、淮层、涂层耐蚀性的评定 本实验还对以下各种表面保护层进行了不同条件下的暴露试验： 45号钢镀铬、45号钢渗氮、38 CrMoA1渗氮、45号钢涂G615(4)、45号钢涂RTF〔5)、 A3钢涂环氧煤沥青。 三、试验结果 1.失重试验 将各种材料的腐蚀速度和试样表面观察结果一并列入表4。 图6-10是经过一个月试验后一组典型试样的实物照片。 2Cr13 38Cr MoAl 图62Cr13全浸试样（试验后表面有一薄 图733 CrMoA1全浸试样（暴露后 层黑色附着物，擦去后试样光亮如初) 表面有一薄层温色附并物，擦去 后试样光亮如初) 169

玄 气 一 一 空 气 进 水 一 一 出 水 〔径 二 ， 万 二 图 气相 暴露 装 置 线性 极化试验在 间浸 条件下进 行 ， 采 用 同种 材料三 电极体 系 。 测量 仪 器为 腐 蚀 快速 测 试仪 ， 工 作原理图如图 。 图 分 别 表示 柱状 电极和 板状 电极 的分布 。 测量 勿天 进 行一 次 试验 第一 天大 约每 小 时一 次 ， 一 般都 是 在 第二次停泵后 两 小时后 进 行 ， 频率 全 部选 用 。 门 广 人 乙 △ 马匕 ， 一 图 恒 电流线 性 极化测 量 装 置 原 理 图 图 电极分 布 示 意图 艘层 、 渗层 、 涂 层 附蚀 性 的评定 本实验还 对 以 下 各种 表面 保护层 进 行 了不 同条 件下 的暴露试 验 号钢镀 铬 、 号钢 渗氮 、 渗 氮 、 理 号钢 涂 〔 〕 、 号钢 涂 〔 〕 、 。 钢 涂环 氧 煤 沥 青 。 三 、 试 验 结 果 失， 试验 将 各种材料 的腐蚀 速 度和 试样表面 观 察结 果一 并列 入 表 。 图 一 是 经 过一 个月试验后一 组典型 试样 的实 物 照片 。 瓤︸薰默 时襄辫参衣 、 护 甲嘿鬃 图 全 浸 试 样 试 验后表 面 有一 薄 层 黑 色 附 着 物 ， 擦 去后 试 样光 亮 如 初 图 全 浸 试 样 暴露 后 表 面 有一 薄层 黑 色附 着物 ， 擦 去 后 试 样光 亮 如 初

表4不同暴露条件下各种材料的腐蚀速度和表面状态 腐蚀 材质 暴露条件 速度 试样表面腐蚀状况 mm y) 间浸 0.406 表面上均匀地布满了麻点 45号钢 半浸 0.210 水线腐蚀明显 气相 0.325 均匀腐蚀，表面较光滑 全浸 0.0439 表面有一薄层黑色附着物，去掉后试样光亮如初 间浸 0.376 均匀布满了小麻点，但比45号钢浅 38CrMoAl 半浸 0.205 水线腐蚀明显 气相 0.304 均匀腐蚀 全浸 0.0476 同45号钢 间浸 0.444 均匀布满小而密的麻点 40Cr 半浸 0.232 水线腐蚀明显 气相 0.323 均匀腐蚀 全浸 0.0563 同45号钢 间浸 0.0108 表面光滑，轻微腐蚀 2Cr13 半浸 0.0387 水线附近有严重孔蚀，最大孔深0.53mm 气相 0.0073 表面光滑 全浸 0.0019 表面光亮如初 间浸 0.403 均匀布满了小麻点 10CrMoAl 半浸 0.180 水线腐蚀明显 气相 0.291 表面有较大的浅蚀斑 全浸 间浸 0.0733 均匀腐蚀 黄铜 半浸 0.086 轻微水线腐蚀 气相 0.238 均匀腐蚀 170

表 不 同暴露条件下 各种材料的腐蚀速 度和 表面状态 腐速蚀度 材 质 暴露条件 试样表面腐蚀状 况 间浸 半浸 气 相 全浸 号钢 间浸 半浸 气 相 全浸 间浸 半浸 气 相 全 浸 ‘ 、 间浸 兰邑一 气 相 … 黄铜 全浸 间浸 半浸 气 相 全浸 间浸 半浸 表面 上均匀地布满 了麻点 水线腐蚀 明显 均匀腐蚀 ， 表面 较光滑 表面 有甲薄层黑 色附着物 ， 去掉后试样光亮如初 － － 一 一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一万 均匀布满 了小麻点 ， 但 比 号钢 浅 水 线腐蚀 明显 均匀腐蚀 同 号钢 均匀布满小 而密的麻点 水线腐蚀 明显 均匀腐蚀 同 号钢 表面 光滑 ， 轻 微腐蚀 水线附近 有严 重孔蚀 ， 最大孔 深 表面光滑 表面 光亮如 初 均匀布满 了小麻点 水线腐蚀 明显 表面 有较大的 浅蚀斑 气 相 · 一 一 些些 一 】 · 均 匀腐蚀 轻微 水线腐蚀 均匀腐蚀 仁匕一 ‘