第10期 刘文会等：硫化氢质量浓度和温度对碳钢在NACE溶液中腐蚀行为的影响 ·1153 蚀速率较低；随H,S含量增加，呈现出明显的局部 为的影响，并对腐蚀产物的形成机理进行探讨. 腐蚀特征，同时腐蚀倾向与腐蚀形态有关.Choi 等O的最新研究表明：较低量的H,S(质量分数为 1实验材料及方法 10-4)加入到含有C0,的酸性溶液中会使碳钢的腐 1.1材料和试样的制备 蚀速率快速减小.然而，对于在不同温度、不同质量 研究中使用的材料是20碳钢，其化学组成如 浓度H,S下，碳钢在NACE溶液（含CO2)中的腐蚀 表1.试样面积为10.0mm×10.0mm,与导线相连 行为研究较少，而这方面的研究具有极其重要的经 后，嵌在环氧树脂上.在每次实验前，试样表面用硅 济价值和理论意义.本文将从此方面着手，研究温 碳砂纸逐级打磨到1000，然后用丙酮超声清洗去 度、H,S质量浓度对20"碳钢在NACE溶液中腐蚀行 油，再用乙醇和去离子水清洗，冷气流烘干 表120°碳钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of 20 carbon steel % C Si Mn Cr Fe 0.170-0.240 0.170-0.370 0.350-0.650 <0.035 <0.400 <0.250 余量 1.2实验溶液 少重复三次.最后采用商用分析软件Zsimpwin3.2 实验溶液选用分析纯试剂和去离子水配制了不 对电化学阻抗谱进行等效电路拟合分析， 同H,S质量浓度的NACE溶液.其中，H,S由适量 1.4表面微区观察和腐蚀产物分析 的Na,S和稀H,SO,反应制得.NACE溶液被用为基 将经过电化学腐蚀的试样进行表面喷金处理 液，实验前通入2h氮气除氧.含不同质量浓度H,S 后，用扫描电子显微镜(3400SEM,英国剑桥)来观 的电极溶液是由己知浓度的Na2S和H2SO,溶液按 察试样的表面微区形貌，用能谱仪(INCN EDS,英国 照不同的量配制而成.H2S的精确质量浓度由碘滴 牛津)同步分析试样表面的腐蚀产物成分 定法日重复三次确定，其目的是确保结果的可重复 性和可靠性.实验溶液的H值是由离子分析仪 2实验结果与讨论 (PXSJ-216,上海雷磁)测得.使用的实验溶液参数 2.1碳钢在不同H2S质量浓度、不同温度的 如表2. NACE溶液中的动电位极化曲线 表2实验溶液参数 图1为25℃时、不同H,S质量浓度下NACE Table 2 Parameters of experimental solution 溶液中20碳钢的动电位极化曲线.表3为由极化 H2S质量 溶液号 基液 pH值 T/℃ 曲线测试得到的不同腐蚀参数.结合图1和表3 浓度1(mgL-) 可以看出，随着溶液中H,S质量浓度的增加，20 NACE +CO2 0 2.566 25 碳钢自腐蚀电流密度i急剧增加，腐蚀速率加 2 NACE +CO2 95.61 2.262 25 快，说明少量H,S就能促进碳钢的C0,腐蚀：而 3 NACE +CO2 103.22 2.061 25 4 NACE +CO, 224.16 1.764 25 (a)0 mgL-! -0.2 b)95.61mg-L d 1.3电化学测量 g103.22mgL- (b. -0.4 (a 实验用电化学测试系统(CHI660,上海辰华)， d224.16mgL -0.6 ■ 连接典型的三电极体系，饱和甘汞电极(SCE)作为 -0.8 参比电极，表面积大于4cm'的铂电极作为辅助电 极，20°碳钢试样作为工作电极.电极溶液温度用恒 -1.0 温水浴来控制（温度分别为25、35和45℃）.动电 2 位极化曲线测量是在电位扫描速度为0.333mVs1 -7-6-54-3-2-10 Ig[i /(mA.cm2)] 下进行的.电位范围为-0.30~0.30V(相对于开 图1 碳钢在25℃时不同H2S质量浓度的NACE溶液中动电位 路电位).电化学阻抗谱(EIS)测量的频率范围为 极化曲线 100kHz~10mHz,在腐蚀电位下的交流信号振幅是 Fig.1 Potentiodynamic polarization curves of the carbon steel in 5mV.为了很好的重现性，所有上述电化学测量至 NACE solutions with different concentrations of H2S at 25 C第 10 期 刘文会等: 硫化氢质量浓度和温度对碳钢在 NACE 溶液中腐蚀行为的影响 蚀速率较低; 随 H2 S 含量增加，呈现出明显的局部 腐蚀特 征，同时腐蚀倾向与腐蚀形态有关． Choi 等［4］的最新研究表明: 较低量的 H2 S( 质量分数为 10 － 4 ) 加入到含有 CO2的酸性溶液中会使碳钢的腐 蚀速率快速减小． 然而，对于在不同温度、不同质量 浓度 H2 S 下，碳钢在 NACE 溶液( 含 CO2 ) 中的腐蚀 行为研究较少，而这方面的研究具有极其重要的经 济价值和理论意义． 本文将从此方面着手，研究温 度、H2 S 质量浓度对 20# 碳钢在 NACE 溶液中腐蚀行 为的影响，并对腐蚀产物的形成机理进行探讨． 1 实验材料及方法 1. 1 材料和试样的制备 研究中使用的材料是 20# 碳钢，其化学组成如 表 1． 试样面积为 10. 0 mm × 10. 0 mm，与导线相连 后，嵌在环氧树脂上． 在每次实验前，试样表面用硅 碳砂纸逐级打磨到 1 000# ，然后用丙酮超声清洗去 油，再用乙醇和去离子水清洗，冷气流烘干． 表 1 20# 碳钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 20# carbon steel % C Si Mn P S Cr Fe 0. 170 ～ 0. 240 0. 170 ～ 0. 370 0. 350 ～ 0. 650 ＜ 0. 035 ＜ 0. 400 ＜ 0. 250 余量 1. 2 实验溶液 实验溶液选用分析纯试剂和去离子水配制了不 同 H2 S 质量浓度的 NACE 溶液． 其中，H2 S 由适量 的 Na2 S 和稀 H2 SO4反应制得． NACE 溶液被用为基 液，实验前通入 2 h 氮气除氧． 含不同质量浓度 H2 S 的电极溶液是由已知浓度的 Na2 S 和 H2 SO4溶液按 照不同的量配制而成． H2 S 的精确质量浓度由碘滴 定法［5］重复三次确定，其目的是确保结果的可重复 性和可靠性． 实验溶液的 pH 值是由离子分析仪 ( PXSJ--216，上海雷磁) 测得． 使用的实验溶液参数 如表 2． 表 2 实验溶液参数 Table 2 Parameters of experimental solution 溶液号 基液 H2 S 质量 浓度/( mg·L － 1 ) pH 值 T /℃ 1 NACE + CO2 0 2. 566 25 2 NACE + CO2 95. 61 2. 262 25 3 NACE + CO2 103. 22 2. 061 25 4 NACE + CO2 224. 16 1. 764 25 1. 3 电化学测量 实验用电化学测试系统( CHI660，上海辰华) ， 连接典型的三电极体系，饱和甘汞电极( SCE) 作为 参比电极，表面积大于 4 cm2 的铂电极作为辅助电 极，20# 碳钢试样作为工作电极． 电极溶液温度用恒 温水浴来控制( 温度分别为 25、35 和 45 ℃ ) ． 动电 位极化曲线测量是在电位扫描速度为 0. 333 mV·s － 1 下进行的． 电位范围为 － 0. 30 ～ 0. 30 V( 相对于开 路电位) ． 电化学阻抗谱( EIS) 测量的频率范围为 100 kHz ～ 10 mHz，在腐蚀电位下的交流信号振幅是 5 mV． 为了很好的重现性，所有上述电化学测量至 少重复三次． 最后采用商用分析软件 Zsimpwin3. 2 对电化学阻抗谱进行等效电路拟合分析． 1. 4 表面微区观察和腐蚀产物分析 将经过电化学腐蚀的试样进行表面喷金处理 后，用扫描电子显微镜( 3400 SEM，英国剑桥) 来观 察试样的表面微区形貌，用能谱仪( INCN EDS，英国 牛津) 同步分析试样表面的腐蚀产物成分． 2 实验结果与讨论 2. 1 碳 钢 在 不 同 H2 S 质 量 浓 度、不 同 温 度 的 NACE 溶液中的动电位极化曲线 图 1 碳钢在 25 ℃时不同 H2 S 质量浓度的 NACE 溶液中动电位 极化曲线 Fig． 1 Potentiodynamic polarization curves of the carbon steel in NACE solutions with different concentrations of H2 S at 25 ℃ 图 1 为 25 ℃ 时、不同 H2 S 质量浓度下 NACE 溶液中 20# 碳钢的动电位极化曲线． 表 3 为由极化 曲线测试得到的不同腐蚀参数． 结合图 1 和表 3 可以看出，随着溶液中 H2 S 质量浓度的增加，20# 碳钢自腐蚀电流密度 icorr 急 剧 增 加，腐 蚀 速 率 加 快，说明少量 H2 S 就能促进碳钢的 CO2腐蚀［3］; 而 ·1153·