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，取代常規能源，每年可以減少數萬噸污染物的排放。然而，地熱水的腐蝕和結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，選擇恰當的防腐蝕材料和采用有效的防腐蝕措施顯得尤為重要。

    1.實驗

    1.1 試樣規格及預處理

    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，調節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 試驗內容

    （1）地熱水腐蝕與結垢的判斷 ；

    （2）全浸試驗；

    （3）腐蝕電化學試驗。

    模擬廣東某地區地熱水，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垢產物進行清除；

    采用電化學工作站對鋼材進行腐蝕電化學試驗。

    2.實驗結果與討論

    2.1地熱水腐蝕與結垢類型的判斷

    采用雷諾茲指數判斷時，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是兩個和溫度有關的平衡常數以及活度系數的復雜常數，取74℃時的值。

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

    2.2 三種鋼材在模擬地熱水溶液中的腐蝕結垢規律

    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生腐蝕，表面被一層薄薄的粉狀結垢產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垢速率

圖1 三種試樣在模擬地熱水中表面形貌

    而在結垢方面，三種試樣浸泡10天的表面形貌如圖1所示。結合表3，可知20#碳鋼的腐蝕和結垢產物較多，呈黃色和黑色，結垢速率最大；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，所得相關電化學參數詳見表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

    由圖2和表4可以看出，在20#碳鋼基體上施鍍后，發生腐蝕的傾向減小，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生和發展，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為電化學反應的電荷傳遞電阻。相關電化學擬合參數見表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

    3.結論

    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不銹鋼雖然也未發生宏觀腐蝕，但生成的污垢較多且結合緊密；20#碳鋼則產生大量腐蝕和結垢產物，但隨時間延長，產物的量趨于穩定。

    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于304不銹鋼及碳鋼，結合其成本和制造工藝，可知鍍鎳磷鋼適合作為開發利用地熱水的管道用材。

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責任編輯：王元

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