地熱能是一種潔凈的可再生能源，利用地熱水作為能源資源，取代常規(guī)能源，每年可以減少數(shù)萬噸污染物的排放。然而，地熱水的腐蝕和結(jié)垢問題制約了地熱能作為清潔能源的使用。因此，分析地熱水的成分，研究其對常用金屬材料的腐蝕性，選擇恰當?shù)姆栏g材料和采用有效的防腐蝕措施顯得尤為重要。

    1.實驗

    1.1 試樣規(guī)格及預(yù)處理

    試樣：304不銹鋼和20#碳鋼板材

    尺寸：30mm×15mm×2.5mm的304不銹鋼和20#碳鋼試樣

    預(yù)處理：打磨→化學除油→水洗→吹干→浸酸活化→施鍍（化學鍍液的成分如表1所示，調(diào)節(jié)PH為4.5，溫度保持在90℃，施鍍時間2.5h）

    表1 化學鍍液的成分

    1.2 試驗內(nèi)容

    （1）地熱水腐蝕與結(jié)垢的判斷 ；

    （2）全浸試驗；

    （3）腐蝕電化學試驗。

    模擬廣東某地區(qū)地熱水，配方見表2，水溫74℃，PH值7.99，以碳酸鈣計的總硬度為49.39mg/L、總堿度為209.97 mg/L、總酸度為4.93 mg/L。

    表2 模擬地熱水溶液配方

    1.3 形貌表征及性能測試

    采用體式顯微鏡對鋼材表面進行形貌觀察；

    采用超聲清洗儀對鋼材表面的腐蝕與結(jié)垢產(chǎn)物進行清除；

    采用電化學工作站對鋼材進行腐蝕電化學試驗。

    2.實驗結(jié)果與討論

    2.1地熱水腐蝕與結(jié)垢類型的判斷

    采用雷諾茲指數(shù)判斷時，其計算公式為：

    式中，pHa為實測pH值，pHs為計算出的pH值。

    pHs的計算公式如下：

    式中，[Ca2+]為溶液中鈣離子的摩爾濃度，mol/L；[ALK]為溶液中碳酸氫根離子的摩爾濃度，mol/L；Kc是兩個和溫度有關(guān)的平衡常數(shù)以及活度系數(shù)的復(fù)雜常數(shù)，取74℃時的值。

    由式（1）和（2）可計算出所模擬的該地區(qū)地熱水的RI=5.5，可知該地熱水屬于結(jié)垢情況中等。

    2.2 三種鋼材在模擬地熱水溶液中的腐蝕結(jié)垢規(guī)律

    將鍍鎳磷鋼、304不銹鋼和20#碳鋼試樣在74℃地熱水中浸泡10天，每2天取出，在表面清理前和清理后分別稱重，得到三種鋼材試樣的結(jié)垢速率和平均腐蝕，如表3所示。

    在浸泡前，四種材料試樣表面平滑有光澤，碳鋼在浸泡一天的時間后表面已經(jīng)腐蝕生銹，兩天后腐蝕加劇，但腐蝕速率在最后幾天不再升高，達到了穩(wěn)定值。

    而304不銹鋼和鍍鎳磷鋼在浸泡十天后表面依然沒有發(fā)生腐蝕，表面被一層薄薄的粉狀結(jié)垢產(chǎn)物覆蓋失去了金屬光澤。可以直觀地得出304不銹鋼和鍍鎳磷鋼在模擬溶液中有更好的耐腐蝕性。

    表3  三種試樣在模擬地熱水中的腐蝕和結(jié)垢速率

圖1 三種試樣在模擬地熱水中表面形貌

    而在結(jié)垢方面，三種試樣浸泡10天的表面形貌如圖1所示。結(jié)合表3，可知20#碳鋼的腐蝕和結(jié)垢產(chǎn)物較多，呈黃色和黑色，結(jié)垢速率最大；304不銹鋼在浸泡10天后，表面被白色污垢所覆蓋，垢層較厚，且結(jié)合緊密；而鍍鎳磷鋼表面則零散地分布著少量污垢，且易剝離。

    2.3 三種鋼材在模擬地熱水溶液中腐蝕電化學分析

    為了進一步表征三種鋼材的耐腐蝕性能，測量了三種鋼材的極化曲線和交流阻抗。圖2是三種鋼材在74℃模擬地熱水溶液中的Tafel極化曲線，所得相關(guān)電化學參數(shù)詳見表4。

    圖2 三種鋼材的極化曲線

    表4 三種鋼材的極化曲線擬合參數(shù)

    由圖2和表4可以看出，在20#碳鋼基體上施鍍后，發(fā)生腐蝕的傾向減小，說明鍍層有效地降低了腐蝕的可能性。而鍍鎳磷鋼表現(xiàn)出最佳的耐腐蝕性能，鍍鎳磷鋼的極化電阻值也遠高于304不銹鋼和20#碳鋼。

    為了確定三種鋼材表面腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，對鋼材進行交流阻抗測試，比較阻抗值來表征材料表面的耐腐蝕性能。圖3為三種鋼材在74℃模擬地熱水溶液中的交流阻抗譜，圖4為其等效電路圖，其中Rs為模擬地熱水溶液的電阻，Cd為材料表面鈍化膜的電容，Rt為電化學反應(yīng)的電荷傳遞電阻。相關(guān)電化學擬合參數(shù)見表5。

    圖3 三種鋼材的交流阻抗譜。

    圖4  三種鋼材的交流阻抗譜等效電路圖

    表5  三種鋼材的交流阻抗譜擬合參數(shù)

    3.結(jié)論

    全浸試驗從宏觀上表明鍍鎳磷鋼在模擬的地熱水溶液中未發(fā)生宏觀腐蝕，且生成的污垢少而分散；而304不銹鋼雖然也未發(fā)生宏觀腐蝕，但生成的污垢較多且結(jié)合緊密；20#碳鋼則產(chǎn)生大量腐蝕和結(jié)垢產(chǎn)物，但隨時間延長，產(chǎn)物的量趨于穩(wěn)定。

    腐蝕電化學試驗則從微觀層面證明了鍍鎳磷鋼的耐腐蝕性能優(yōu)于304不銹鋼及碳鋼，結(jié)合其成本和制造工藝，可知鍍鎳磷鋼適合作為開發(fā)利用地熱水的管道用材。

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責任編輯：王元

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