阻垢剂在金属水系统管道的防腐应用研究Study on application of corrosion and scale inhibitor in metal water system pipeline

吴扬军  ,陈昌中Wu,Yangjun  ,Chen,Changzhong

Gree Electric Appliances, INC. of Zhuhai, Zhuhai ,519070

摘要：钢材质的金属水系统管道，在长期与水接触的过程中易被腐蚀，使管道的使用寿命缩短，因此水系统管道防腐是一项重要课题。因水系统管道的管径小、长径比大、结构多样，因此其内壁难以涂漆防腐工艺。目前常用的防腐工艺为镀层防腐与不锈钢防腐。但这些防腐工艺成本高，且防腐效果存在一定局限性，因此还需研究其它防腐工艺。其中在水系统中加入缓蚀阻垢剂就是其中一种防腐工艺。本文将通过实验研究，重点讨论缓蚀阻垢剂对钢材质水系统管道的防腐效果与应用条件。

关键词：金属水系统管道；缓蚀阻垢剂；防腐

Abstract ：

The steel metal water system pipeline is easy to be corroded in the process of long-term contact with water, which will shorten the service life of the pipeline. Therefore, the anti-corrosion of water system pipeline is an important topic. At present, the commonly used anticorrosion process is coating anticorrosion and stainless steel anticorrosion. But these anticorrosive processes cost high, and the anticorrosive effect has some limitations, so other anticorrosive processes need to be studied. Adding corrosion and scale inhibitor in water system is one of the anticorrosive techniques. In this paper, the effect and application conditions of corrosion and scale inhibitor on steel water system pipeline are discussed through experimental research.

Keywords:

Metal water system piping;Corrosion and scale inhibitor;Corrosion protection

引言

在工业循环水系统中，金属钢管作为水介质的输送管道，目前仍有广泛应用。而由于金属钢管自身防腐能力较差，而水系统中的水质构成较为复杂，造成在长期使用后，水系统管道就会出现内壁腐蚀。其腐蚀状态通常有两种：（1）均匀腐蚀，即管道内某一区域全部发生腐蚀。（2）局部腐蚀，在材料存在间隙、尖角等结构的情况下，当出现腐蚀时，该位置腐蚀程度往往更为剧烈。

为了解决钢质水系统管道腐蚀问题，行业内尝试过多种方法。镀层防腐与不锈钢防腐就是目前较为常用的两种形式。但这两种形式均有其自身局限性。镀层防腐成本较高，而且工艺本身具有一定污染性。而不锈钢材质在水质较差的区域，仍会出现腐蚀穿漏现象。因此还需要探究其它的水系统管道防腐工艺。本文将就缓蚀阻垢剂防腐工艺进行讨论，并通过实验研究，分析这种防腐工艺的防腐效果与应用条件。

1防腐机理

缓蚀阻垢剂是能够防止水垢和污垢产生或者抑制其沉积生长的化学药剂[1]。其主要通过改变金属表面的状态，或者作为催化剂，以抑制腐蚀过程的阳极反应或阴极反应，使腐蚀速率降低，以达到缓蚀防腐的目的[2]。阻垢剂从其抑制腐蚀反应的机理与方式上划分，可分为阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂、混合型缓蚀剂3种类型[3]，其中阳极缓蚀剂通过降低阳极金属的电位，提高腐蚀电位来达到缓蚀的目的。阴极缓蚀剂通过在阴极表面形成一层保护膜，以抑制阴极释放电子来实现缓蚀的目的。混合型缓蚀剂，能同时在阳极与阴极表面形成单分子钝化膜，一方面可同时阻止阳极与阴极之间的电子转移，以降低腐蚀速率[4]。

本文将以Fernox F1缓蚀阻垢剂作为研究对象，分析其防腐效果与应用条件。Fernox F1缓蚀阻垢剂是一种有机胺类缓蚀剂，其主要成分包括三乙醇胺、金属盐、缓蚀剂等，它是一种混合型缓蚀剂。其缓蚀防腐机理如下：

（1）其中的金属盐成分，覆盖在金属表面，形成钝化膜，有效降低金属电极电位，增加腐蚀电位，抑制水溶液中的阴离子与金属反应，起到电化学保护作用。

图1 缓蚀剂改变腐蚀金属表面电位

（2）其中的缓蚀剂成分，覆盖在金属表面，形成单分子沉积膜，该单分子膜能同时抑制阴极与阳极的电子转移，使腐蚀电流降低，从而达到缓蚀目的。

图2缓蚀剂抑制电子转移

2实验开展与结果讨论

本次实验将研究在水溶液完全覆盖材料、水溶液部分覆盖材料这两种条件下，缓蚀阻垢剂的防腐能力。

2.1水溶液完全覆盖材料状态下的防腐实验

【实验材料】

基材：分别准备Q330碳钢、HT250铸铁、硅钢三种材质的材料，各2组。

溶液：水、Fernox F1缓蚀阻垢剂

【实验步骤】

（1）实验分为2组，一组为实验组，一组为对比组，每组3种样件。

（2）将Q330碳钢、HT250铸铁、硅钢材料分别各放入2个烧杯中。

（3）在实验组中，加入含Fernox F1缓蚀阻垢剂的水溶液，其中阻垢剂的含量为0.5%。

（4）在对比组中，加入自来水。

（5）实验组与对比组均保持溶液完全浸没实验样件的状态。在该状态下，连续观察样件的腐蚀变化情况，持续记录360天。

【实验结果】

经对实验样件持续进行360天的腐蚀情况记录，发现样件的腐蚀情况如下：

（1）自来水溶液中的样件腐蚀情况：

在实验开始的第1~3天内，作为对比组的自来水溶液中的样件，其表面均先后出现了锈蚀，同时溶液开始呈浑浊状。随着时间的增加，样件表面锈蚀程度愈加明显。而在实验进行到120天的时候，样件的锈蚀情况就基本稳定了，直至实验进行到360天，锈蚀层厚度也不再发生明显变化。

（2）0.5%阻垢剂水溶液中的样件腐蚀情况：

观察发现，在含阻垢剂的水溶液中，各类材质的样件，均始终未出现锈蚀，样件表面状态与试验前基本一致，并与对比组的腐蚀状态差异明显。

【实验分析】

针对以上试验现象，分析如下：

（1）在对比组实验中，样件主要发生电化学腐蚀，与水中溶解的OH-离子、氧气等发生反应，生成红褐色的Fe2O3。在实验初期，由于样件表面参与反应的面积大，所以样件腐蚀速度很快，同时腐蚀产物Fe2O3沉积在样件表面。随着Fe2O3的增加，样件表面逐渐被Fe2O3覆盖住，当氧化层达到一定厚度时，它抑制了样件表面电子转移速度，在一定程度上降低了样件的腐蚀速率。因此，就会出现实验初期样件腐蚀速率很快，而到了一定时间后，样件表面的不再发生明显变化的现象。

（2）在实验组实验中，水溶液始终浸没着样件，溶液中阻垢剂对样件起到了缓蚀防腐作用。一方面其金属盐成分吸附在样件表面，使样件的腐蚀电位降低，对样件起到了电化学保护作用；同时其缓蚀剂成分在样件表面沉积形成防护膜，抑制了样件表面的电子转移。所以在实验组中，样件几乎完全没有发生腐蚀反应，防腐效果良好。

2.2水溶液部分覆盖材料状态下的防腐实验

【实验材料】

基材： Q330碳钢各2组。

溶液：水、Fernox F1缓蚀阻垢剂。

【实验步骤】

（1）实验分为2组，一组为实验组，一组为对比组，每组1种样件。

（2）将Q330碳钢分别放入2个容器中。

（3）在实验组中，加入含Fernox F1缓蚀阻垢剂的水溶液，其中阻垢剂的含量为0.5%。同步对容器充注驱赶氮，降低容器内的氧气含量。

（4）在对比组中，加入自来水。

（5）实验组与对比组均保持溶液部分浸没实验样件的状态，同时将容器封闭，即隔绝容器内的空气与外界交互。在该状态下，连续观察样件的腐蚀变化情况，持续记录30天。

【实验结果】

经对实验样件进行观察记录，发现：

（1）自来水溶液中的样件，在放入不足1天，就开始发生锈蚀。其中锈蚀主要发生在液面以下部分，腐蚀产物以黄褐色的Fe2O3为主，腐蚀层较厚。液面以上部分基本未腐蚀。

（2）0.5 %阻垢剂水溶液中的样件，在放入15天之后，开始出现锈蚀，其中锈蚀主要发生在液面以上部分。腐蚀产物主要为黑色的黑色的FeO。液面以下未腐蚀。

（3）样件的腐蚀状态在液面线处有明显的分界。

【实验分析】

针对以上试验现象，分析如下：

（1）自来水溶液中的样件，理论上它在液面以上与液面以下都会发生腐蚀。其中液面以下以电化学腐蚀为主，液面以上以化学腐蚀为主。由于电化学腐蚀中，电子的迁移速度快，其反应速度远高于化学腐蚀，导致样件的腐蚀区域基本集中在液面以下部分。同时由于密闭容器内氧气有限，同时液面以下的腐蚀又消耗了大量的氧气，因此液面以上的腐蚀很少，肉眼未能看到明显的腐蚀变化。

（2）自来水溶液中的样件，液面以下的腐蚀产物，不仅有红褐色的Fe2O3，还有部分黑色的FeO。这是由于密闭容器内的氧气含量有限，当腐蚀反应进行到一定程度时，容器内的氧气含量已不足以使FeO进一步反应成为Fe2O3，因此就存留有一定的FeO。

（3）0.5 %阻垢剂水溶液中的样件，样件在液面以下的部分，其防腐作用与“水溶液完全覆盖材料状态下的防腐实验”中的实验组一样，阻垢剂在样件表面沉积的高电位金属盐与沉积膜，对样件起到了良好的防护作用。因此液面以下部分未发生腐蚀。而液面以上部分，虽然容器在密封前进行了充注氮气驱赶空气的操作，但未能完全除尽容器内的氧气，因此容器内剩余的少量氧气，与液面以上的样件发生化学腐蚀。同时由于氧气含量有限，不足以使腐蚀产物转变为

Fe2O3，因此腐蚀产物以黑色的FeO形式存在。

3结论

（1）当水系统管道内完全充满水溶液的条件下，在水溶液中加入缓蚀阻垢剂，能有效防止钢质管道腐蚀，且防腐效果能维持较长时间。

（2）当水系统管道内水溶液未充满，处于空气+水共存的条件下，在水溶液中加入缓蚀阻垢剂无法有效防止钢质管道腐蚀，其中腐蚀主要发生在管道与空气接触的部分。而且在这种条件下，加入缓蚀阻垢剂不仅无法实现管道防腐，也增加了阻垢剂的使用成本投入，提高了设备运行维护成本。

参考文献

[1] 肖杰，邓雪琴，诸林. 工业水处理阻垢剂的研究现状与进展[J]. 净水技术.2007：1~4

[2] 朱苓. 缓蚀剂缓蚀作用的研究方法[J]. 腐蚀与防护,1999, 20( 7) : 300~ 302.

[3] 吴荫顺，方智，何积铨，等. 腐蚀实验方法与防腐蚀检测技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 1996.

[4] 周晓东，王卫，王凤英. 工业缓蚀阻垢剂的应用研究进展[J].腐蚀与防护.2004.4:152~156

\第一作者简介，吴扬军，男，任职于珠海格力电器股份有限公司，工艺工程师，主要从事商用空调与空气能热水器新品导入、新材料开发、工艺规划及工艺管理等工作。