溫度對硅醛涂層水冷器犧牲陽極保護的影響研究*

徐秀清,索 濤,杜小英,來維亞,尹向昆,劉宏銘,任 泓

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077; 2. 中國石油長慶石化公司 陜西 咸陽 712042)

0 引 言

犧牲陽極保護技術是通過在水冷器內安裝電負性金屬,通過犧牲該金屬,達到保護水冷器的目的。國內外常用的犧牲陽極保護材料由鋅合金犧牲陽極、鋁合金犧牲陽極和鎂合金犧牲陽極。鋅合金犧牲陽極電流效率可達95%以上,但電容量較低,理論電容量僅為820 Ah/kg,并主要用于電阻率低于200 Ω·cm的介質環境;鋁的理論電容量達2 980 Ah/kg,是鋅的3.6倍,鎂的1.35倍,鋁的原料來源廣,制造工藝簡單,價格低廉,是理想的犧牲陽極材料,但其主要適用于電阻率低于100 Ω·cm的介質環境;鎂合金犧牲陽極的特點是密度小,電位負,極化率低,單位重量發生電量大,適用于高電阻率環境腐蝕防護。由于水冷器冷卻介質電阻率通常高于250 Ω·cm,因此普遍采用鎂合金犧牲陽極進行保護。

涂層聯合犧牲陽極保護技術[7],犧牲陽極可對涂層破損部位起到陰極保護作用,涂層可減少水冷器所需的陰極保護電流和犧牲陽極數量,延長犧牲陽極壽命。本文以硅醛涂層水冷器為研究對象,研究溫度對硅醛涂層保護時鎂合金犧牲陽極保護的影響,為后續計算犧牲陽極數量,確定分布位置,指導水冷器設計提供依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及冷卻水組成

試驗材料為10#碳鋼和采用硅醛涂層保護的10#碳鋼,由大慶石化機械廠提供。試樣尺寸為40 mm×20 mm×5 mm。

試驗模擬冷卻水組成及物化性質見表1。采用分析純級NaCl、Na2SO4、Na(OH)、SiO2、CaCl2和MgCl2以及蒸餾水配置模擬冷卻水,其pH值為8.9,電導率為3 890 μS/cm。

表1 模擬冷卻水組成及物理化學特性

1.2 試驗方法及表征

采用美國普林斯頓ParStat4000電化學工作站測試裝置,如圖1所示,測試AZ31B鎂合金犧牲陽極、10#碳鋼以及硅醛涂層保護的10#碳鋼在溫度為30、40、50、60、70和90 ℃模擬冷卻水的電化學性能。測試過程中以上述試樣為工作電極,鉑片為輔助電極,Ag/AgCl為參比電極。采用恒電位和動電位掃描法,測量AZ31B鎂合金、10#碳鋼以及硅醛涂層保護的10#碳鋼在不同溫度下極化曲線,恒電位測試為-0.95 V,動電位掃描范圍為-20～+600 mV(相對于犧牲陽極腐蝕電位),掃描速率為20 mV/min。

圖1 冷卻水中試樣的電化學性能測試示意圖

2 結果與討論

2.1 AZ31B鎂合金極化特性

圖2為不同溫度冷卻水AZ31B犧牲陽極腐蝕電位。由測試結果可知,AZ31B腐蝕電位隨著溫度逐漸升高,腐蝕電位基本規律呈正移趨勢,AZ31B腐蝕電位越負,其與水冷器電位差越大,越有利于犧牲陽極產生保護電流,對陰極保護越有利。因此,從AZ31B犧牲陽極腐蝕電位隨溫度變化可初步判斷,隨著溫度升高,犧牲陽極輸出電流驅動電壓減小。

圖2 AZ31B犧牲陽極腐蝕電位隨溫度變化曲線

圖3為不同溫度冷卻水中AZ31B鎂合金陽極極化曲線。

圖3 不同溫度冷卻水中AZ31B陽極極化曲線

由圖3可知,在30～60 ℃模擬冷卻水中,相同電位下,AZ31B的保護電流隨著溫度升高而降低,即犧牲陽極保護能力隨著溫度升高而降低,在此溫度范圍內,溫度升高不利于犧牲陽極保護。在30～70 ℃模擬冷卻水中,AZ31B在腐蝕電位至-1.3 V區間,發生明顯鈍化現象,不利于犧牲陽極輸出電流保護水冷器,當溫度升高至90 ℃后,犧牲陽極雖然腐蝕電位正移,但未發生鈍化現象,輸出的保護電流增加,有利于為水冷器提供更多的陰極保護電流。

2.2 溫度對水冷器腐蝕電位的影響

圖4為10#碳鋼以及硅醛涂層保護的10#碳鋼在溫度為30、40、50、60、70和90 ℃模擬冷卻水的腐蝕電位變化?？梢钥闯?不同溫度條件下,10#鋼腐蝕電位穩定,腐蝕電位處于-0.68～-0.61 V范圍內;當冷卻水溫度不超過70 ℃,10#鋼腐蝕電位隨著溫度升高而正移,說明腐蝕傾向隨著溫度升高而增加;當溫度達到90 ℃后,腐蝕電位負移,但仍正于60 ℃以下溫度條件下腐蝕電位。10#鋼采用硅醛涂層保護后,表面處于絕緣狀態,此時10#鋼得到良好保護,不會發生腐蝕。但隨著使用時間增長,冷卻水通過硅醛涂層孔隙擴散至10#表面,此時孔隙部位10#鋼發生腐蝕。因此,為準確測量硅醛涂層鋼腐蝕行為,將硅醛涂層鋼浸泡在冷卻水中30 d后進行電化學測試。不同溫度冷卻水中腐蝕電位測試結果如圖4(b)所示,30 ℃冷卻水中的腐蝕電位明顯高于其它溫度條件,40～90 ℃時硅醛涂層鋼腐蝕電位變化較小。

圖4 不同狀態碳鋼在模擬冷卻水中的腐蝕電位

2.3 溫度對水冷器保護電流密度的影響

根據國家標準和國際標準,10#鋼最佳保護電位范圍為-1.1～-0.8 V,恒電位測試過程中,選取極化電位為-0.95 V,這主要是因為此極化電位距離-0.8 V最正范圍有較大余量,按此極化電位條件下所需保護電流密度設計犧牲陽極數量,即使隨著陽極溶解消耗,仍可保證電位負于-0.8 V,發生欠保護風險小。如果按-1.1 V極化電位所需的保護電流密度設計,導致所需犧牲陽極數量較多,不僅造成犧牲陽極浪費,也會影響換熱管數量,減小換熱效率。

圖5為10#鋼在不同溫度下極化至-0.95 V時測得的極化電流密度。結果表明,10#鋼所需陰極保護電流密度隨著溫度升高而增加,30 ℃冷卻水中10#鋼保護電流密度為68 mA/m2,當冷卻水溫度達到90 ℃后所需的保護電流密度達到162 mA/m2,保護電流密度增加了2.4倍。因此,所需犧牲陽極數量較多,不推薦僅采用犧牲陽極對水冷器進行保護。

圖5 溫度對10#鋼陰極保護電流密度影響

將硅醛涂層保護的10#碳鋼恒電位極化至-0.95 V,測量得到其在不同溫度冷卻水中的極化電流密度如圖6所示。

圖6 溫度對硅醛涂層碳鋼陰極保護電流密度影響

測試結果表明,硅醛涂層鋼陰極極化電流密度較小,說明其所需的陰極保護電流密度小,當冷卻水溫度不高于60 ℃時,陰極保護電流密度處于2～6 mA/m2范圍內,當溫度升高至70 ℃以上時,陰極極化電流密度約為20 mA/m2。

2.4 溫度對水冷器陰極極化特性的影響

采用動電位掃描法,測量10#碳鋼以及硅醛涂層保護的10#碳鋼在不同溫度下陰極極化特性,結果如圖7所示。

圖7 不同狀態碳鋼在模擬冷卻水中的陰極極化曲線

隨著溫度升高,相同陰極極化電位條件下,10#碳鋼所需的陰極極化電流密度增加,由此可推測,相同的保護壽命條件下,溫度越高,所需的犧牲陽極數量越多;相同犧牲陽極數量條件下,溫度越高,電位梯度越大,壽命越短。而硅醛涂層鋼由于硅醛樹脂良好的保護性能,10#鋼所需的陰極保護電流密度較裸鋼顯著減小,30 ℃時減小1個數量級以上。隨著溫度升高,硅醛涂層鋼所需的陰極保護電流密度緩慢增加,增加幅值約為1個數量級。圖7所示陰極極化曲線可作為水冷器有/無硅醛涂層保護時陰極保護計算的陰極邊界條件。

3 犧牲陽極保護邊界條件分析

陰極保護參數的獲取需要以水冷器結構為已知條件,通過計算得到水冷器表面陰極保護電位與電流分布。陰極保護參數邊界條件主要包括:恒電位邊界條件、恒電流邊界條件、陰極極化邊界條件、陽極極化邊界條件。本文中水冷器后續陰極保護模擬計算所需的邊界條件為恒電位邊界條件(-0.95 V)以及水冷器陰極極化邊界條件和AZ31B犧牲陽極陽極極化邊界條件。不同溫度下有/無硅醛涂層的10#碳鋼水冷器陰極極化電流密度與陰極極化電位關系可由圖6計算得出,而不同溫度下AZ31B犧牲陽極陽極極化邊界條件則可由圖2計算獲得。因此,在不同溫度冷卻水條件下,本文為有/無硅醛涂層10#碳鋼水冷器的犧牲陽極保護計算提供了設計依據。

4 結 論

針對水冷器AZ31B鎂合金犧牲陽極保護,本文采用電化學測試方法,研究了水冷器工作溫度對犧牲陽極電化學性能的影響,得出以下結論:

1)溫度對AZ31B鎂合金犧牲陽極性能影響顯著,腐蝕電位隨著溫度升高,其在30～90 ℃冷卻水中工作電流密度大,適用于水冷器腐蝕防護。

2)在30～90 ℃工作溫度范圍內,硅醛涂層具有良好的保護性能,所需陰極極化電流密度較小,與犧牲陽極聯合后,可對水冷器起到良好的保護作用。

3)獲得了水冷器后續犧牲陽極保護模擬計算所需的邊界條件。