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 ‘

(续表4) 腐蚀速度 材质 暴露条件 试样表面腐蚀状况 (mmy) 间浸 0.0428 均匀腐蚀 青铜 半浸 0.086 明显水线璃蚀 气相 0.345 均匀腐蚀 间浸 0.059 均匀腐蚀 紫铜 半浸 0.152 均匀腐纱 气相 1 0.431 均匀腐蚀 间浸 0.013 出现孔蚀，最大孔深0.40mm, 密度为2.：~2.5个孔/cm2 铝 半浸 0.0071 孔蚀处于水线以下，最大孔深0.62mm 密度为0.6~1.0个孔/cm2 气相 增重 无孔蚀，表面光滑，稍有变色 38 Cr MoAl 图8半浸的38CrM0A1水线腐蚀情况 (A)未去除腐蚀产物(B)去除商蚀产物后 》 171

续表 ‘ 一一 ‘ 门 曲岛曰 肉内 动 ‘ 娜 材质 暴露条 件 腐蚀 速度 试样表面腐蚀状 况 间浸 半浸 气 相 青铜 召 紫铜 间浸 半浸 气 相 间浸 半浸 气 相 增 重 均 匀腐 蚀 明 显水线 腐蚀 均匀腐蚀 均 匀腐蚀 均 匀腐蚀 均 匀腐蚀 出现孔 蚀 ， 最大 孔 深 ， 密 度为 个孔厂 孔蚀 处于 水 线 以 下 ， 最大 孔深 密度为 。 个孔 “ 无 孔蚀 ， 表面 光滑 ， 稍 有变 色 图 半浸 的 水 线 腐蚀 情况 未 去 除腐蚀 产 物 去 除腐 蚀 产 物后

H用 图9半浸的2Cr13试样水线附近发生了孔蚀 (A)未去除腐蚀产物(B)去除腐触产物后 从表4和图6-10看到： 碳钢和低合金钢在试验中表现出类似 的耐蚀性： (1)在相同的暴露条件下，碳钢和 低合金钢有大致相近的腐蚀速度： (2)在不同的暴露条件下，碳钢和 工业纯A1 低合金钢的腐蚀速度都按下列顺序递减： 间浸一气相一半浸一全浸 (3)有大体一致的表面状态。腐蚀 图10何浸纯铝多处孔蚀 主要是均匀腐蚀，半浸条件 RP(K 下均出现水线腐蚀。 45纲-K一t 2Cr13不锈钢在试验中 0.2 表现出较好的耐蚀性。无论 对于哪种暴露条件，其腐蚀 0.1 速度均小于0.04毫米/年， 但半浸时水线附近有较严重 10020广300广400500十600 t(h) 的孔蚀。 图1145号钢R,~t曲线 铜及铜合金在不同暴露 条件下腐蚀速度都按下列顺 R,(K) 序递减： 0.30 气相一半浸一间浸 40CrK。~t 铝在试验中均匀腐蚀速0.20 度不大，但孔蚀严重，与 有关文章的报导是一致的 0.10 〔1,6)。 2.间浸条件下的线性 100 200 300 极化试验 根据试验数据做出45号 图1240Cr的R。~t曲线 钢、40Cr、38 CrMoAl、10 CrMoA1的R。~t曲线，如图11L5所示。 172

图 半浸 的 试 样水线 附近 发 生 了孔蚀 未去 除腐蚀 产 物 去 除腐蚀 产 物后 从表 和 图 看 到 碳钢和低 合金 钢在 试验 中表现 出 类似 的 耐蚀性 在 相 同的暴 露 条件下 ， 碳钢 和 低 合 金钢 有大 致 相近 的 腐 蚀 速 度 在 不 同 的 暴 露 条件 下 ， 碳 钢 和 低 合金 钢 的腐蚀 速 度都按 下 列顺 序递减 间浸一气相一半浸一 全 浸 有大体一 致 的表面 状态 。 腐 蚀 图 间浸 纯铝 多处孔蚀 主要是 均匀腐蚀 ， 半浸条件 下均出现水线腐蚀 。 不 锈 钢在 试验 中 表 现出较好 的 耐蚀 性 。 无论 对于哪种暴 露条件 ， 其 腐蚀 速度均小于 毫 米 年 ， 但半浸时水线附近 有较 严 重 的孔蚀 。 铜 及铜 合 金在 不 同暴露 条件下腐蚀 速 度都按 下列 顺 序递减 气 相一半浸一 间浸 铝在 试验 中均匀腐蚀 速 度 不大 ， 但 孔 蚀 严 重 ， 与 有关 文 章 的 报 导 是一 致 的 〔 ， 〕 。 间澳 条件 下 的线 性 极化城脸 根据试验数据做出 号 勺刁 一 丈王 ， 图 号钢 曲线 ， ‘ 之 、 〔 心 图 钢 、 、 、 的 曲线 ， 的 曲线 如 图 一 所示

Rp (KO) 0.30 38Cr MoAl Rp~t 0.20 0.10 10020030040000c001(h) 图1338 CrMoA1的R。-t曲线 Rp(KO) 10Cr Mo AI Rp~ 0.20 0.10 0 100 20广咖十09广s0 G001(h) 图1410 CrMoA1的Rp-t曲线 Rp(K) 纯AIRp~t 0.8 0.7 0.6 100 1030040060600701h) 图15纯铝的R,-t曲线 利用(2)式计算45号钢、40Cr、38 CrMoAl和10 CrMoA1的平均极化阻力，将相应 的用失重法得到的腐蚀速度换算成腐蚀电流密度icorr,利用(I)式求出相应的常数K,结 果列入表6。 由图11~14和表6可以看出碳钢和低合金钢在间浸时有着类似的腐蚀规律： 试验钢种R,~t曲线的走向是一致的，初始具有最大的R,值（腐蚀速度最小），约在 24小时之内R,逐渐减小（腐蚀速度逐渐加大），以后R,值趋于一个稳定值（腐蚀速度趋于 稳定)， R,稳定后，具有相近的R,值， 具有类似的瓦，值和K值，而且平均极化阻力的顺序和用失重法计算的腐蚀速度的相对 顺序有着很好的对应性： 173

〕 又七〕 ， · 亡、 刁 图 的 一 曲线 又 ’ 飞 以 图 的 一 曲线 。 纯 龟 一 ，﹄已︺明月 … 石 图 纯铝 的 一 曲线 利用 式计 算 号钢 、 、 和 的平 均极 化阻 力豆 ， 将相应 的用 失重法得到 的腐蚀速 度换算成腐蚀 电流 密度 ， 利 用 式 求出 相应 的 常数 ， 结 果列入表 。 由图 和 表 可 以 看 出碳钢 和低 合 金 钢在 间浸 时有着类似 的腐蚀 规律 试验钢种 曲线 的 走向是一 致 的 ， 初始 具有 最大 的 值 腐蚀 速 度 最 小 ， 约在 小时之 内 逐 渐减小 腐蚀 速 度逐 渐加大 ， 以后 值趋 于一 个稳定值 腐蚀速度趋于 稳定 ， ， 稳 定后 ， 具有 相近 的 值 具有类似 的 豆 ， 值 和 值 ， 而且 平 均极 化阻 力 的顺 序 和 用失重法 计算的腐蚀速度 的相对 顺序有着很好的对应 性

表6 碳钢和低合金钢的平均极化阻力和常数K 材料 Da(mmy) icorr(μA/cm2) Rp (k) Rp.S(kR.cm*) K(mv) 45号钢 0.406 34.49 0.045 0.810 27.94 40Cr 0.444 37.74 0.039 0.702 26.49 38CrMoAl 0.376 31.74 0.048 0.864 27.42 10CrMoAl 0.403 34,11 0.046 0.828 28.24 ·i,可利用公式164=类F="失用×2.68×107计算 N 平均极化阻力，增加 38 CrMoAl-10 CrMo A1一45号钢一40Cr 腐蚀速度增加 从图15看出，纯铝的R。值始终稳定不下来，随着时间频繁地大幅度地改变。 8.部分试样舞层的x射蛾分析结果 对间浸和气相暴露条件下部分试样表面锈层进行x射线衍射分析，结果如下： 间浸条件下45号钢和38 CrMo A1锈层主要成份为Fe:O,和FeS。 气相暴露条件下38 CrMo A1锈层主要成份为FeaO,和Fe.Oa,紫铜锈层主要为Cu:S、 Cu.O和CuO。 4.艘层、渗层与涂层保护性能的评定 经700多小时暴露试验，RTF涂层完好无损，对基体材料有良好的保护作用。环氧煤沥 青涂层大部分表面完好无损，只是个别局部区域有极微鼓泡，但总体来看能对基体构成较好 的保护。 四讨 ·论 1.碳钢和低合金钢 (1)·碳钢和低合金钢在全浸状态下均匀腐蚀速度为0.04~0,06mmy,应属耐蚀〔7)。 在无氧的地热流体中，金属腐蚀是一个氢去极化过程。去极化剂氢离子H·主要是溶解于水 中的H,S提供的，HzS在水溶液中有如下电离作用： H2S→H*+HS-(K,=5.7×10-8) HS-→H*+S(K2=1.2×1016) 体系中硫化氢含登很低·（参见表），因此造成的腐蚀是有限的。体系中有氧进入会大大加 速腐蚀。但全浸条件下扩散到金属表面的氧是不多的，.因此碳钢和低合金钢具有低腐蚀速 度。 地热现场深井泵泵管外壁动水线以下、泵管内壁和泵轴静水线以下部位长年处于水下缺 氧环境，和本试验全浸状态有着类似的特点。若从均匀腐蚀考虑，完全可以采用碳钢和低合 174

表 碳钢 和低 合金钢 的平 均极化 阻 力和常数 。 。 ， ， 协 。 天 任自任，口月 ，自口任怪 … 号钢 口的 行皿勺了浦」 行甲，气了占廿刀任任以动儿月 ‘，自‘ 斤狱︸月‘一了 。 。 可利 用公式 。 ， 失 重 一 计算 平 均极化阻 力豆 增加 婚 一 一 一 一 号钢一 一 － －一－ 腐蚀 速度增加 一 从图 看 出 ， 纯 铝 的 值始终稳定 不下来 ， 随 着 时 间频 繁地大幅度地改变 。 部 分试样扮层 的 射线分析 结果 对间浸 和气相暴露条件 下部分试样表面 锈层 进行 射线衍射 分析 ， 结 果如 下 间浸条件下 号钢和 锈层主要成份为 ‘ 和 。 气相暴露条件下 锈层 主要成份为 ‘ 和 。 。 ， 紫铜 锈层 主要为 、 和 。 艘层 、 渗层 与涂层保 护 性 能的评定 经 。 多小时暴露试验 ， 涂层 完好无损 ， 对基体材料有 良好 的保护作 用 。 环氧煤 沥 青涂层大部分表面 完好无 损 ， 只是 个别局 部 区域有极微 鼓泡 ， 但 总体来看 能对基体构成较好 的保护 。 四 一 店 ， 勺衬， 体， ‘ 吕 暇 铜和 低合 金 钢 ‘ 一 碳钢 和 低 合金钢 在 全浸状态 下均匀腐蚀速 度为 。 、 ， 应 属 耐蚀 〔 〕 。 在无 氧的 地热 流体 中 ‘ ， 金 属腐蚀是一 个氢去极化过程 。 去极化剂氢 离子 主要 是溶解子水 中的 提供 的 ， 在 水溶液 中有如 下 电离作 用 ， 一 一 一一一 一 彼 一 ， “ 体系中硫化氢 含量 很 低 参见 表 ， 因此造成的腐蚀 是 有 限 的 。 体系中有氧进入会大大加 速腐蚀 。 但 全 浸 条件下 扩 散到金 属表面 的氧 是 不 多的 ， 因此 碳 钢 和低 合 金钢具有低腐蚀 速 度 。 地热现场探井泵泵管外壁 动水线 以 下 、 泵管 内壁和 泵 轴 静水线以 下部位 长年处于 水 下 缺 氧环境 ， 和 本试验全浸 状态有 着类似 的特点 。 若 从均匀腐蚀考虑 ， 完全可 以采 用碳钢 和低 合

金钢。 (2)碳钢和低合金钢在间浸条件下较其他暴露条件下腐蚀速度高，可能是由于试样处 于干湿交替的条件下锈层参加反应的原因。Evans曾指出，大气腐蚀的铁锈层处在湿润条 件下，可以作为强烈的氧化剂加速腐蚀的进行〔8,9〕。试验条件下，停泵期间试样表面生成 了FezO,锈层，开泵后试样浸在水中，FezO,做为强氧化剂加速基体金属的腐蚀，而本身被 还原为Fe3O。对腐蚀产物的x射线衍射结果表明以上讨论是可信的。 :与全浸状态相比，间浸状态下由于氧进入系统，碳钢和低合金钢的腐蚀速度大约增加了 卡倍！这一结果与文献〔1,2)的报导是一致的。间浸状态是现场各种使用环境中最苛刻的环 境。现场深井泵由于多是不连续操作，泵轴和泵管内壁静水位以上部位即处于间浸状态下。 如能改为连续操作，防止空气倒吸，将在很大程度上减轻腐蚀。 (3)碳钢和低合金钢在半浸条件下均发生水线腐蚀，是由于试样浸润面处氧含量较水 线下金属表面处高，由于供氧差异电池形成后，引起金属表面不同区域阳极电流密度和阴极 电流密度的不平衡，从而引起局部腐蚀的自催化过程〔0)。 地热设备中水面处于经常变化中，所以很少看到明显的水线腐蚀。 2.2C13不锅钢在水线附近发生较严量的孔蚀是可以理解的。地热流体中所含的C1厂 离子可能造成钝化膜的局部破坏从而形成孔蚀源，水线附近溶解氧较溶液内部其他部位多， 从而为活化一钝化电池提供了较充足的阴极去极化剂。由于大阴极、小阳极的活化一钝化腐 蚀电池的工作，使孔蚀发展。 8。在间浸条件线性极化测量中，纯铝的极化阻力R,随时间频繁地较大幅度地被动可 能是孔烛引起的。 铝在近中性的水中也可能出现孔蚀。试验介质中含有SO,”、C一、和去极化剂，符合产 生孔蚀的水质条件〔11)，因此可能出现孔蚀。但铝又有很大的钝化倾向，不仅是氧就是水本 身对铝来说也是钝化剂〔12)，所以有的蚀孔会再次钝化。试验中铝表面有蚀孔生成，有的会 由于氧化停止生长，同时又会有新的蚀孔不断在生成，这样就可能造成R,~t曲线的起伏。 试验结束后发现试样表面确实存在着大量的蚀孔。 鉴于在低温地热系统中严重的孔蚀倾向，所以不宜采用铝结构。国内外都曾有过类似 的报导〔1,6)。 4.氧和硫化氢同时存在加速了铜和铜合金的腐蚀。铜是正电性金属，一般不会发生氢 去极化腐蚀。当只有氧存在时，由于氧和铜作用生成一层保护膜，也导致低腐蚀速率。但当 氧和硫化氢同时存在并达到某一浓度范围时，铜的腐蚀速度将引人注目地增加。Syrett (13)曾指出，在含870PPb的氧的水中，只要56PPb的硫化物就可以使铜的腐蚀速度增加一 个数量级。据认为氧和硫化氢同时存在时，钥可能按下列方式被腐蚀： 4Cu+〔O,)溶→2Cu20(对应于水溶液中) 4Cu+2H,S+〔O:)溶→2Cu2S+2H2O(对应于较低含氧量) 2Cu+2H:S+〔O,)溶→2CuS+2H,O(对应于较高含氧量) 对应于某一氧/硫化物比，可能某一种反应产物占优势，但都会有CuzS、CuS、Cu:O 生成。由于这些化合物具有不同的晶体结构，最终使产物在结构上具有明显缺陷，而且铜的 硫化物（特别是C“S)附看力很差，这都会使腐蚀剂比较容易接近铜表面，使腐蚀进一步 进行，从而加速了腐蚀。试验中铜及铜合金腐蚀速度按气相一半浸一间浸的顺序递减，就 :是由于氧含量也是按上述顺序递减的。 175

金钢 。 碳钢 和低 合金钢 在 间浸 条件 下较 其 他暴 露条件 下腐蚀 速 度 高 ， 可 能是 由于试样处 于 干 湿 交替 的条件下锈层 参加反 应 的原 因 。 ， 曾指 出 ， 大气腐蚀 的铁锈层处 在湿润 条 件下 ， 可 以 作为强烈 的氧 化剂 加速 腐蚀 的进行 〔 ， 〕 。 试 验条件下 ， 停泵 期间试样表面生成 了 。 锈层 ， 开泵后 试样浸在 水 中 ， 。 做为强氧 化剂加速 基体金属 的腐蚀 ， 而本 身被 还原为 ‘ 。 对腐蚀 产 物 的 射 线衍 射 结果 表 明 以 上讨论是可信 的 。 与全浸状态相 比 ， 间浸状态 下 由于氧进入 系统 ， 碳钢 和 低合 金钢 的腐蚀速度大约增加了 十倍 这一结果 与文 献 〔 ， 幻 的 报导是一 致 的 。 间浸状态 是 现场 各种 使用环境中最苛刻 的环 境 。 现场深井泵 由于 多是 不连 续操作 ， 泵 轴 和泵管 内壁静水位 以 上部位 即处于 间浸状态 下 。 如能改为连 续操作 ， 防止 空气倒 吸 ， 将在很大程度 上减 轻 腐蚀 。 碳 钢 和低 合 金钢在半浸条件下 均发 生 水线 腐蚀 ， 是 由于 试样浸 润面 处氧 含量 较 水 线下金属 表面 处高 ， 由于 供氧 差异 电池形成后 ， 弓起金属 表面 不 同区域 阳 极 电流 密度和 阴 极 电流密度 的 不平 衡 ， 从而引起局 部腐蚀 的 自催化过程 〔 〕 。 地热设 备中水面处于 经 常变化中 ， 所 以 很少看 到 明显 的水线 腐蚀 。 不姗铜在水魏附近发生较严 ，的 孔 蚀是可 以理 解的 。 地热 流体 中 所 含的 厂 离子可 能造成钝 化膜 的局 部破坏从 而形成孔蚀 源 ， 水 线 附近 溶解氧较 溶液 内部 其他部位 多 ， 从而为活 化一钝 化 电池提供 了较充足 的阴极去极化剂 。 由于大阴 极 、 小阳极的 活 化一钝 化腐 蚀 电池 的工作 ， 使孔蚀发展 。 在 间浸 条件 线性极化侧 中 ， 纯 铝 的极化 阻 力 随时 间 报旅地较大 相度 地 波动可 能 孔 蚀 引起的 。 铝在近 中性 的水 中也可 能 出现孔蚀 。 试验 介质 中 含有 ‘ 一 、 一 、 和去极化剂 ， 符 合产 生孔蚀 的水质条件〔 〕 ， 因此可 能 出现孔蚀 。 但 铝又有 很大 的钝化倾 向 ， 不仅是氧就是 水本 身对铝来说 也是 钝 化剂 〔 〕 ， 所 以 有 的蚀孔会再次钝 化 。 试验 中铝 表面 有蚀孔生成 ， 有 的会 由于 氧化停止 生长 ， 同时 又会有新 的蚀孔 不断在 生成 ， 这 样就可 能造成 曲线 的起伏 。 试验结 束后 发 现试样表面 确实存在 着大量 的蚀孔 。 鉴于 勺在 低 温地 热 系 统 中严 重 的孔蚀倾向 ， 所 以 不 宜采 用铝结 构 。 国 内外都 曾有过 类似 的报导 〔 ， 〕 。 级和硫化氢 同时存在加速 了们和们合金 的腐蚀 。 铜 是 正 电性金 属 ， 一般 不会发生氢 去极化腐蚀 。 当只 有氧存在时 ， 由于氧 和铜 作用生成一层 保护膜 ， 也导 致 低 腐蚀 速率 。 但 当 氧和硫 化氢 同时存在 并达 到某一 浓度 范围时 ， 铜 的腐蚀 速 度将 引人 往 目 地 增 加 。 〕曾指 出 ， 在 含 的氧 的水 中 ， ‘ 只 要 的 硫 化物就可 以 使铜 的 腐蚀速 度增加一 个数 级 ‘ 据认为氧和 硫 化氢 同时存在 时 ， 铜可 能按下 列 方式被腐蚀 〕溶 一 对应 于 水溶液 中 〔 〕溶 一 对应 于 较低 含氧量 〕溶 一一 对应 于 较 高含氧量 对应 于 某一 氧 硫 化物 比 ， 可 能 某一种 反应产物 占优势 ， 但都会有 、 、 生成 。 由于 这些 化合物 具有 不 同 的 晶体结构 ， 最 终使 产物在 结构上具有 明显缺 陷 ， 而且铜 的 硫 化物 特别是 附看 力很差 ， 这都会使 腐蚀剂 比较容易 接近铜 表面 ， 使腐蚀进一步 进行 ， 从而加速 了腐蚀 。 试验 中铜 及铜 合金 腐蚀 速 度按 气 相一半浸一间浸 的 顺 序 递减 ， 就 ’ 是 由于氧 含量 也是 按上 述顺 序递减 的