循环水系统碳钢的腐蚀及控制

循环水系统碳钢的腐蚀及控制

一、腐蚀的机理

碳钢在水中的腐蚀是一个电化学过程。由于碳钢组织表面的不均一性（材料中存在缺陷、杂质和溶质等），因此，当其侵入水中时，在其表面就会形成许多微小的腐蚀电池，其腐蚀机理及示意图（图一）如下：

图一碳钢的电化学腐蚀

阳极反应：Fe-→Fe2++2e

阴极反应:02+2H20+4e->40Π

沉淀反应：FeFOHfFe（OH）2I

由上述腐蚀机理可知：造成碳钢腐蚀的是碳钢的阳极溶解反应，因此，碳钢的腐蚀破坏仅出现在腐蚀电池的阳极区，而腐蚀电池的阴极区是不腐蚀的。

且上述反应属于共物反应，即阳极氧化反应和阴极还原反应必须同时进行，如其中一个反应被停止，则整个反应就会停止。

二、腐蚀的形态

在冷却水中碳钢的腐蚀是电化学腐蚀，且电化学腐蚀又分为全面腐蚀和局部腐蚀。

1.全面腐蚀

全面腐蚀又称为均匀腐蚀，即在碳钢表面上大量分布着微阴极和微阳极，这种腐蚀不易造成穿孔，腐蚀产物氧化铁可在整个金属表面形成，在一定情况下有保护作用。全面腐蚀的阴、阳极并不分离，阴

极面积等于阳极面积，阴极电位等于阳极电位。

全面腐蚀示意图见图二，如下：

图二全面腐蚀示意图

2.局部腐蚀

当腐蚀集中在碳钢表面的某些部位时，称为局部腐蚀。局部腐蚀的速度很快，往往在早期就可使碳钢腐蚀穿孔或龟裂，所有危害性很大。循环冷却水处理中腐蚀控制的重点就是防止或减缓局部腐蚀的发生。局部腐蚀过程中阴、阳极互相分离，阴极面积大于阳极面积，但是阳极电位小于阴极电位，腐蚀产物无保护作用。

循环冷却水系统中常见的碳钢换热器局部腐蚀的形态见下述：

3.1.电偶腐蚀

电偶腐蚀又称为双金属腐蚀或接触腐蚀。

当两种不同的金属浸在导电性（循环冷却水）的水溶液中时，两种金属之间通常存在电位差（见图三部分金属的电偶序）。如果这两种金属互相接触，则该电位差就会驱使电子在它们之间流动，从而形成一个腐蚀电池。与不接触时相比，耐蚀性较差的金属（即电位较低的金属）在接触后腐蚀速度通常会增加，而耐蚀性较好的金属（即电位较高的金属）在接触后腐蚀速度将下降。

图三部分金属的电偶序

以下以碳钢--黄铜材质的换热器（管束为黄铜、壳程为碳钢）的电偶腐蚀为例进行说明。碳钢一-黄铜电偶腐蚀的示意图见图四，如下：

图四碳钢-一黄铜电偶腐蚀的示意图

通过图四可知：发生电偶腐蚀后，阳极区的碳钢发生局部腐蚀现象，而阴极区的黄铜未出现腐蚀。

3.2.缝隙腐蚀

缝隙腐蚀的示意图见图五，如下：

图五缝隙腐蚀示意图

首先介绍两个缝隙腐蚀的实例。

实例一：循环水监测换热器中夹牢碳钢试片用的螺帽及垫片下缝隙内碳钢表面发生的腐蚀，此种腐蚀也可称为垫片腐蚀，具体见图六，如下：

图六碳钢试片的缝隙腐蚀

实例二：循环冷却水系统中碳钢换热器内沉积物下的缝隙腐蚀，此种腐蚀也可称为垢下腐蚀。产生垢下腐蚀的沉积物有：冷却水中的泥砂、腐蚀产物、水垢、微生物黏泥等。具体见图七（烯烧分离装置的160E701A）,如下：

图七碳钢换热器的垢下腐蚀

碳钢换热器缝隙腐蚀的机理：

A、缝隙的存在：一条缝隙要成为腐蚀的部位，必须要宽到液位能流入，但又必须窄到能使进入缝隙的液体保持在静滞状态。即冷却水系统中因垫片、搭接缝或沉积物屏蔽，导致碳钢表面无法形成沉积型保护膜或补膜药剂无法有效进入缝隙、使前期形成的沉积型保护膜被破坏。因保护膜缺失或被破坏，导致缝隙腐蚀发生。

B、缝隙内外产生氧的浓差腐蚀电池：即缝隙内因冷却水静滞导致氧气无法有效进入，形成贫氧区--阳极；缝隙外碳钢表面冷却水中

氧气充足，形成富氧区--阴极。腐蚀电池阴阳极发生以下反应：阳极反应：FefFe2'+2e

阴极反应：02+2H20+4e→40H^

氧浓差腐蚀电池的产生，导致缝隙腐蚀持续进行。

C、有害阴离子(氯离子)的作用：即缝隙内因冷却水静滞导致Fe2,过剩，过剩的正电荷需要带负电荷的氯离子迁移到缝隙中去，以保持电中性，于是缝隙内FeCl2的浓度增加。随后FeC1.水解，发生以下水解反应：

FeCl2+2H2O→Fe(OH)2I+2H++2CΓ

盐酸是强电解质，其在水中会全部电离为H,和C「，而H'和CI的存在会进一步加速碳钢的腐蚀。

3.3.点蚀

点蚀的示意图见图八，如下：

图八点蚀示意图

点蚀又称为孔蚀或坑蚀，是一种特殊形态的缝隙腐蚀或垢下腐蚀。其发生的机理与缝隙腐蚀的基本一致：

A、由于碳钢材料存在一定的缺陷、杂质等，当碳钢表面发生沉积，沉积物覆盖在碳钢表面，使水中的溶解氧和缓蚀剂不能扩散到碳钢表面，破坏其表面的钝化膜或沉积膜，碳钢中存在缺陷或杂质的部位先出现局部腐蚀现象。

B、水中的氯离子的存在，加速了点蚀过程。

C、温度对点蚀的影响也较大，对于形成钝化膜的系统，温度升

高，钝化膜性能下降，点蚀倾向增加。

D、PH值降低，也影响保护膜的维护，加速点蚀。

故点蚀经常发生在碳钢换热器的高温区和流速缓慢发生沉积的部位。蚀孔一般往重力方向生长。

点蚀是潜伏性和破坏性最大的一种腐蚀类型。点蚀都是大阴极小阳极，有自催化特性。小孔内腐蚀，使小孔周围受到保护。孔越小，阴、阳面积比越大，穿孔越快。

点蚀会使晶间腐蚀、应力腐蚀（晶间腐蚀、应力腐蚀一般常见于不锈钢换热器）和腐蚀疲劳等加剧，在很多情况下点蚀是这些类型腐蚀的起源。

3.4.磨损腐蚀

磨损腐蚀示意图见图九，如下：

图九磨损腐蚀

磨损腐蚀又称为冲击腐蚀、冲刷腐蚀或磨蚀。磨损腐蚀是由于腐蚀性流体或碳钢表面间的相对运行引起的碳钢的加速破坏或腐蚀。磨损腐蚀的外表特征是：腐蚀的部位呈槽、沟、波纹和山谷形，还常常显示有方向性。

磨损腐蚀与碳钢表面的保护膜、冷却水流速及流态等因素有关。

一般冷却水流速超过一定数值，特别是在流速很高的情况下，一般会使磨损腐蚀加剧。主要原因：水流的冲击与耗氧腐蚀（氧含量增加，电化学腐蚀加剧）加剧。

2.5.水线腐蚀