不锈钢及钛材在新型吸收式热...工作介质中的电化学腐蚀行为_刘雨朵.pdf

腐蚀电化学基础、技术与运用D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 2 1 2 0 0 1不锈钢及钛材在新型吸收式热泵工作介质中的电化学腐蚀行为刘雨朵1,沈卫华1,朱志庆1,方云进1,2(1.华东理工大学化工学院,上海 2 0 0 2 3 7;2.华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海 2 0 0 2 3 7)摘 要:利用自主组建的电化学测试装置,通过极化曲线和电化学阻抗谱测试,研究了四种不锈钢(编号为S 1、S 2、S 3和S 4)以及钛材(编号为S 5)在新型热泵工作介质(甲酸钾溶液)中的电化学行为。结果表明:五种材料在8 0%(质量分数)甲酸钾溶液中的自腐蚀电流密度均随温度的升高而增大,S 5钛材的腐蚀电流密度最大,S 1不锈钢最小;S 2、S 3、S 4三种不锈钢在温度低于1 2 5 时表现出良好的耐蚀性,当温度较高时,其自腐蚀电流密度急速增大;五种材料的自腐蚀电流密度按从大到小的顺序依次为S 5S 4、S 3、S 2、S 1(温度低于1 0 0),S 5、S 4、S 3、S 2、S 1(温度高于1 0 0);S 5的电荷传递电阻Rc t最大,S 4、S 3、S 2的次之,S 1的最小。关键词:吸收式热泵;甲酸钾溶液;电化学行为;不锈钢;钛材中图分类号:T G 1 7 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 2)1 2-0 0 0 1-0 5E l e c t r o c h e m i c a l C o r r o s i o n B e h a v i o r o f S t a i n l e s s S t e e l s a n d T i t a n i u m i n a N e w A b s o r p t i o n H e a t P u m p M e d i u mL I U Y u d u o1,S HE N W e i h u a1,Z HU Z h i q i n g1,F ANG Y u n j i n1,2(1.S c h o o l o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g,E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7,C h i n a;2.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g,E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7,C h i n a)A b s t r a c t:T h e e l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o r s o f f o u r s t a i n l e s s s t e e l s(S 1,S 2,S 3 a n d S 4)a n d t i t a n i u m m a t e r i a l(S 5)i n a n e w h e a t p u m p m e d i u m(p o t a s s i u m f o r m a t e s o l u t i o n)w e r e s t u d i e d b y t e s t s o f p o l a r i z a t i o n c u r v e s a n d e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s e l f-c o r r o s i o n c u r r e n t d e n s i t y o f f i v e m a t e r i a l s i n 8 0%(m a s s f r a c t i o n)p o t a s s i u m f o r m a t e s o l u t i o n i n c r e a s e d w i t h t h e r i s e o f t e m p e r a t u r e,t h e c o r r o s i o n c u r r e n t d e n s i t y o f S 5 t i t a n i u m m a t e r i a l w a s t h e h i g h e s t,a n d t h a t o f S 1 s t a i n l e s s s t e e l w a s t h e l o w e s t.S 2,S 3 a n d S 4 s t a i n l e s s s t e e l s e x h i b i t e d g o o d c o r r o s i o n r e s i s t a n c e w h e n t h e t e m p e r a t u r e w a s b e l o w 1 2 5,a n d t h e i r s e l f-c o r r o s i o n c u r r e n t d e n s i t y i n c r e a s e d r a p i d l y w h e n t h e t e m p e r a t u r e w a s r e l a t i v e l y h i g h.T h e s e l f-c o r r o s i o n c u r r e n t d e n s i t y r a n k o f t h e f i v e m a t e r i a l s w a s S 5S 4,S 3,S 2,S 1 w h e n t e m p e r a t u r e b e l o w 1 0 0,S 5,S 4,S 3,S 2,S 1 w h e n t e m p e r a t u r e a b o v e 1 0 0.T h e c h a r g e t r a n s f e r r e s i s t a n c e Rc t o f S 5 w a s t h e l a r g e s t,f o l l o w e d b y t h a t o f S 4,S 3 a n d S 2,a n d t h a t o f S 1 w a s t h e s m a l l e s t.K e y w o r d s:a b s o r p t i o n h e a t p u m p;p o t a s s i u m f o r m a t e s o l u t i o n;e l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o r;s t a i n l e s s s t e e l;t i t a n i u m m a t e r i a l 吸收式热泵是一种重要的工业余热回收设备,在节约能源和环境保护方面都起着重要作用1-2。热泵中最常使用的工作介质主要有NH3+H2O和收稿日期:2 0 2 0-1 2-1 7基金项目:国家自然科学基金(2 1 5 7 6 0 8 3);陕西省自然科学基础研究计划-陕煤联合基金(2 0 1 9 J LM-2 0)通信作者:方云进(1 9 6 8-),教授,博士,主要从事绿色化学工程研究工作,0 2 1-6 4 2 5 2 8 2 9,y j f a n g e c u s t.e d u.c nL i B r+H2O3-4。但是,NH3+H2O工作介质中氨和水的沸点相差小,需要增设精馏设备进行分离,而且当氨在空气中的体积分数比较大时,会导致人体中毒和爆炸等问题。高浓度的L i B r+H2O溶液不仅会因为结晶问题造成管道堵塞,还会使设备腐蚀严重。这些缺点都限制了这两种工作介质在工业应用中的发展5-7。甲酸钾常被用于除湿系统中,其热力学性质表明甲酸钾有作为新型吸收式热泵工作介1第4 3卷 第1 2期2 0 2 2年1 2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 3 N o.1 2D e c e m b e r 2 0 2 2质的潜力8-1 0。热泵中常用的金属材料有钛材、铜基合金和不锈钢等。对这些金属材料进行腐蚀研究并比较他们的耐蚀性,对工业投资选材有巨大帮助。杨向同等1 1采用金属挂片失重法研究了甲酸盐对套管/油管的腐蚀影响,结果表明甲酸钾对不锈钢腐蚀速率的影响远低于碳钢。林修州等1 2研究了镀铬4 1 3 0钢在甲酸钾溶液薄液膜下的电化学腐蚀行为,研究表明在低浓度的甲酸钾溶液中,镀铬4 1 3 0钢的腐蚀速率较低。HUT TUN E N-S AA R I V I R T A等1 3研究了质量分数为5 0%的甲酸钾溶液对镀铬4 3 4 0钢的腐蚀性,测得其腐蚀速率为2.21 0-9 gc m-2s-1。但是,目前仍缺乏不锈钢材料在甲酸钾溶液中的电化学行为研究,高温高浓度的甲酸钾溶液对不锈钢的电化学腐蚀研究也鲜有报道。本工作采用参比电极外置法原理,研究了四种不锈钢以及钛材在高温高浓度甲酸钾溶液中的电化学腐蚀行为,以期为以甲酸钾作为工作介质的工业吸收式热泵的选材提供理论参考数据。1 试验选用市场售卖的不锈钢(编号为S 1、S 2、S 3和S 4)以及钛材(编号为S 5)。五种材料的市场价格(同样厚度每平方米)从低到高依次为S 1、S 3、S 4、S 2、S 5。将五种试验材料加工成尺寸为1 0 mm9 mm2 mm的片状试样,试样后端焊接铜导线(不锈钢采用锡焊焊接,钛材采用点焊焊接),并采用环氧树脂封样。试样经砂纸(6 0 02 0 0 0号)逐级打磨、丙酮除油、去离子水冲洗、冷风吹干后备用。实验室常规使用的参比电极,如饱和甘汞电极,当温度大于6 0 时,其性能不稳定,故电化学测试难以在高于1 0 0 条件下进行。A g/A g C l参比电极由于热稳定性好、使用方便,被用于高温高压电化学测试系统中1 4-1 7。另外,孙宇飞1 8利用参比电极外置的原理,设计了高温电化学测试系统,用于研究碳钢和不锈钢在高温L i B r溶液中的腐蚀行为。基于依据外部参比电极测试高温高压水溶液体系电极电位的外置原理1 9,自主组建了一套装置如图1所示(1为石棉塞,2为参比电极,3为冷凝管,4为温度计,5为热电偶,6为辅助电极,7为工作电极,8为盐桥),试验采用电加热套加热,利用温度计准确测量溶液温度。试验结果显示,该装置在高温常压条件下稳定性良好。采用上海辰华有限公司生产的CH I 6 0 4 E电化图1 电化学测试装置示意F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f e l e c t r o c h e m i c a l t e s t d e v i c e学分析仪进行极化曲线和电化学阻抗谱(E I S)测试。测试介质为8 0%(质量分数)甲酸钾溶液,温度分别为5 5,7 5,1 0 5,1 2 5。采用三电极体系,五种金属材料作为工作电极,A g/A g C l电极为参比电极,2 0 mm2 0 mm的铂片电极为辅助电极,文中所有电位均相对于A g/A g C l电极。首先测试开路电位,待其稳定后,以1 mV/s的扫描速率进行极化曲线测试,扫描区间为0.2 5 V(相对于开路电位),点蚀电位扫描区间为-0.3