盐湖卤水采输设备金属材料的腐蚀机理研究

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盐湖卤水中含有丰富的钾、锂、硼等航空、军工所需的重要微量元素,具有极高的开发利用价值。然而,盐湖卤水是含多种化学组分的高浓度盐水,极易造成卤水泵等水力机械金属材料的腐蚀失效,严重影响采输设备的安全高效运行。卤水中复杂离子成分环境下金属/卤水界面处电化学反应、多种复杂组分传质过程以及腐蚀产物沉积行为之间存在着紧密的交互作用,造成腐蚀演变过程非常复杂,至今尚未形成完整的理论体系。本文选取Ni2FeCrMo0.2合金作为研究对象,并选择水力机械常用材料2205双相不锈钢作为对照材料,通过开路电位、动电位极化、电化学阻抗谱测试材料在盐湖卤水中的宏观腐蚀电化学特性,利用扫描电子显微镜获取其微观腐蚀形貌,采用X射线光电子能谱(XPS)和电子能谱仪(EDS)检测腐蚀界面元素并对其存在形式进行分析,利用扫描激光共聚焦显微镜获取三维腐蚀形貌和剖面图,探究腐蚀时间、离子浓度(Cl-、S2-、Ca2+、CO32-)和环境温度(15℃、30℃、45℃、60℃)对腐蚀反应动力学、腐蚀界面结构以及沉积物结构演变特性的影响机制,为盐湖卤水采输设备选材提供理论指导。主要结论如下:(1)Cl-对合金具有先促进后抑制作用。在Cl-浓度为12%为临界值,在较低浓度时,Cl-会提高溶液中离子强度;在较高浓度时,Cl-浓度的增加影响盐水的粘度和密度,降低了腐蚀性物质的传质速率。此时钝化膜主要由Cr2O3、Fe2O3、NiO、MoO2、MoO3和Ni单质组成;S2-对合金具有促进作用,S2-浓度的增加降低了 PH值,促进溶液中S2-与阳离子相互作用,加速合金的腐蚀。钝化膜的内层是由Cr2O3和Fe2O3组成,外层由NiS、FeS组成;Ca2+对合金具有抑制作用,Ca2+含量的增加中会加速溶液中生成碳酸盐CaCO3附着在合金表面,降低腐蚀速率。钝化膜为双层结构,外层为CaCO3和MoO3,内层为Cr2O3和Fe2O3;CO32-对合金具有先促进后抑制作用,CO32-浓度为1.0g/L为临界值,一方面,CO32-浓度增加促进阳极溶解,加速反应进程;另一方面,CO32-水解生成OH-,与阳极溶解的金属离子结合生成氧化物,阻碍了腐蚀过程。钝化膜的主要由Fe2O3、Cr2O3、NiO和MoCl4组成。(2)在盐湖卤水中Ni2FeCrMo0.2合金的耐腐蚀性能优于2205双相不锈钢。在含Cl-的卤水中合金钝化膜中Ni单质含量是2205双相不锈钢的10倍,Ni单质的存在避免了合金钝化膜还原。在含Na2S的介质中合金钝化膜中Cr2O3含量高于2205双相不锈钢,合金中的氧化铬含量提高了其稳定性。在含Ca2+卤水中合金的钝化膜Fe2O3和CaCO3含量明显较高,提高了钝化膜致密性;在含CO32-的盐湖卤水中Ni2FeCrMo0.2合金中生成的MoCl4阻碍氯离子的渗透,提高了钝化膜稳定性。(3)Ni2FeCrMo0.2合金在盐湖卤水中随时间变化腐蚀速率减小后增大,腐蚀过程包括活性溶解和钝化膜的形成与溶解。腐蚀初期合金阳极金属溶解速率增加,加速腐蚀过程;腐蚀中期合金表面生成钝化膜,抑制传质作用;腐蚀后期,随着浸泡时间的延长,钝化膜溶解,阻抗值降低,腐蚀速率增大。(4)在含Cl-的盐湖卤水中温度升高溶液中离子的活性增强,Cl-进入导致钝化膜更容易破裂,加速腐蚀进程;在含S2-的盐湖卤水中温度升高先降低腐蚀速率后升高,温度增加降低含氧量的同时S2-的活动能力增强,钝化膜的孔隙率增大。在含Ca2+的盐湖卤水中温度升高使合金表面沉淀的保护性腐蚀垢CaCO3破裂,加速腐蚀进程;在含CO32-的盐湖卤水中温度升高溶解氧的扩散速度加快,加速腐蚀过程。
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