硫酸对碳钢管道腐蚀原因分析及建议

(中国石化集团重庆川维化工有限公司，重庆，401254)

1 前言

浓硫酸在化工装置上使用时对金属的腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀，且后者的破坏影响较大[1]。浓硫酸能使某些金属钝化，浓硫酸对金属的钝化过程是化学腐蚀过程，这种腐蚀使金属表面生成一层致密的保护膜，可以阻止浓硫酸对金属的进一步腐蚀，这对金属防腐蚀来说是有益的。通常化工装置上的硫酸对设备、储罐和管道的破坏性腐蚀大多为电化学腐蚀。碳钢是化工装置上最为常见的金属，常温条件下碳钢在硫酸中发生电化学腐蚀，其电极反应表示如下：

阳极反应：Fe → Fe2++ 2e

阴极反应：2H++ 2e →H2

总反应：Fe +H2SO4(浓) → FeSO4+ H2

碳钢中的铁为阳极，碳及其他一些杂质为阴极，铁在反应过程中失去电子与硫酸根结合生成硫酸亚铁，氢离子在阴极中得到电子被还原成氢气[2]。

本公司自产浓硫酸送下游装置使用时，下游装置碳钢管线多次出现穿孔泄漏，且管线的腐蚀情况相比以前外购硫酸时严重许多。管线腐蚀严重不仅会导致硫酸泄漏，增加安全风险，而且还需要投入大量的人力、物力对管线进行抢修。本文通过查阅相关文献资料、硫酸组分对比分析及碳钢挂片实验对碳钢管道的腐蚀原因进行了简要的分析，并对如何降低浓硫酸的腐蚀给出了初步的建议。

2 硫酸组分对比分析

因自产硫酸腐蚀情况比外购硫酸严重，所以首先对自产硫酸与外购的硫酸产品的组分进行分析，具体分析见表1。

表1 硫酸组分分析

对比组分分析发现自产硫酸与外购的硫酸产品中的Cl-、NO3-、Fe3+含量基本一致，初步判定硫酸中Cl-、NO3-、Fe3+等杂质不是引起腐蚀的主因。

3 实验方法

3.1 实验试剂和仪器

试剂：公司自产浓硫酸99.2(w)%、蒸馏水、碳钢挂片(28cm2) 、丙酮、无水酒精、氢氧化钠溶液60g/L、盐酸溶液(盐酸与水体积比1：4)、酸洗溶液( 1000mL体积比1：4的盐酸溶液中加入8g六次甲基四胺)。

仪器：烧杯、玻璃棒、加热磁力搅拌器(IKA/RCT基本型)、电子天平(梅特勒ML204,0.1mg)、电吹风、干燥器。

3.2 碳钢挂片腐蚀实验

3.2.1 新挂片清洗

用滤纸将挂片上防锈油擦洗干净，然后分别在丙酮溶液和无水乙醇中用脱脂棉擦洗干净，置于干燥滤纸上，用电吹风吹干后，置于干燥器中4h以上，称重(精确到0.1mg)，记为m0。

3.2.2 碳钢挂片腐蚀实验

3.2.2.1 酸浓度的影响

在500ml的烧杯中用自产浓硫酸配制99%、98.5%、98%三种浓度的硫酸各800g，烧杯中放入磁力转子，将烧杯放在磁力搅拌器上，将处理好的碳钢挂片浸没在硫酸中，烧杯上用保鲜膜密封，调节搅拌速度280r/min,96小时后取出挂片进行处理。

3.2.2.2 酸温度的影响

在500ml的烧杯中称量3份800g自产浓硫酸，烧杯中放入磁力转子，将烧杯放在磁力搅拌器上，将处理好的碳钢挂片浸没在硫酸中，烧杯上用保鲜膜密封，调节搅拌速度280r/min,控制浓硫酸的温度分别为15℃、25℃、35℃，96小时后取出挂片进行处理。

3.2.3 腐蚀后挂片清洗

将试片取出后先用蒸馏水冲洗并用毛刷刷干净，然后在酸洗溶液中浸泡3～4min，取出，迅速用蒸馏水冲洗后，立即浸入氢氧化钠溶液中约30s。取出后用蒸馏水冲洗干净，用滤纸擦拭并吸干水分，在无水乙醇中浸泡约3min，置于干燥滤纸上，用电吹风吹干后置于干燥器中4h以上，称重(精确到0.1mg)，记为m1。

3.3 结果计算

以mm/a表示的碳钢腐蚀速率：

X=8760×(m0-m1)×10/(s×ρ×t)

式中：

m0——新挂片清洗完的质量，g；

m1——腐蚀后挂片清洗完的质量，g；

s——试片的表面积，cm2(实验挂片为28cm2)；

ρ——试片密度，g/cm3(实验碳钢挂片7.85g/cm3)；

t——挂片悬挂的时间，h(实验时间96h)；

8760——与一年相当的小时数，h/a；

10——与1cm相当的毫米数，mm/cm。

4 结果与讨论

通过上述公式计算不同浓度及不同温度下碳钢的腐蚀速率，见表2和表3。

表2 不同浓度下碳钢的腐蚀速率

表3 不同温度下碳钢的腐蚀速率

由表2可以看出硫酸浓度对碳钢腐蚀速率影响很大，碳钢挂片在98%的硫酸中的腐蚀速率是99%硫酸的2.58倍，在98.5%的硫酸中的腐蚀速率是99%硫酸的2.09倍。同样由表3可知硫酸温度对碳钢腐蚀速率影响也很大，在99.2%的硫酸浓度下，碳钢挂片在35℃的硫酸中的腐蚀速率是15℃硫酸的3.98倍，而在25℃下的腐蚀速率与15℃相差不大。

5 腐蚀原因分析与建议

由上可知，外购硫酸与自产硫酸组分差别不大，故判定硫酸组分不是造成碳钢管道腐蚀严重的主要原因；而硫酸的温度和浓度对碳钢腐蚀速率影响很大，本公司硫酸生产装置送出硫酸浓度有时波动较大，低时达到98.3%左右，这可能会加剧碳钢管道的腐蚀，另外硫酸装置夏天送出硫酸的温度较高，平均33℃左右，最高能达到43℃，这也会导致碳钢管道腐蚀严重。

为了减少硫酸对碳钢管道的腐蚀，硫酸装置应优化工艺，确保硫酸送出浓度稳定在99%以上，硫酸温度控制在25℃以下。