Na?VO?预处理对固体NH?Cl沉积物中15CrMo钢腐蚀行为的影响

《Applied Surface Science》：Effect of Na 3VO 4 pretreatment on corrosion behavior of 15CrMo steel in solid NH 4Cl deposit

　　

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  Na₃VO₄预处理可抑制高温高压条件下固态氯化铵沉积物中15CrMo钢的腐蚀。
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  96小时内腐蚀速率从1.28 mm/a降至0.81 mm/a，腐蚀层厚度减少约67%且结构致密化。
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  钒以低浓度间隙替代掺杂的方式掺入尖晶石晶格，促进结晶。
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  氯富集区域发生位移和稀释，Fe³⁺/Fe²⁺比值升高，Cl 2p结合能向高结合能方向偏移0.2 eV。
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  其机理涉及正钒酸根化学吸附、替代式尖晶石掺杂以及闭塞电池循环的破坏。

引言

金属腐蚀是石油化工、能源和电力行业面临的严峻挑战，它不仅造成巨大的经济损失，还威胁设备的安全运行和服务寿命[1]。在加氢裂化、催化重整等装置的稳定塔系统中，原料中氯和氨反应生成的氯化铵（NH₄Cl）容易在换热器等低温位沉积[2]。在高温水蒸气环境下，固态NH₄Cl吸水潮解，形成局部Cl?浓度较高的酸性微区，诱发严重的垢下腐蚀，导致设备穿孔和突发失效[3]，[4]。因此，开发适用于此类苛刻环境的有效防腐技术具有重要的工程意义。

缓蚀剂技术因用量低、成本低、操作简单等优点，已成为控制金属腐蚀最常用的方法之一[5]。无机缓蚀剂，尤其是氧化膜型缓蚀剂（如铬酸盐、钼酸盐、钒酸盐等），通过在金属表面形成致密保护性氧化膜来阻隔腐蚀反应，是研究和应用的热点[6]，[7]。其中，钒酸盐作为一种环境友好型缓蚀剂，在含Cl?的水溶液体系中展现了良好的缓蚀潜力[8]。已有研究表明，钒酸盐可在金属表面形成含钒表面层，有效抑制氧还原等阴极过程，从而减缓腐蚀[9]。

然而，现有钒酸盐缓蚀研究大多集中在常温或中温的液相环境[10]。值得注意的是，这些研究大多在含氧水体系中进行，其中钒酸盐通常被认为主要通过沉积钒氧化物来抑制阴极氧还原反应；相比之下，在本研究的无氧、高压水汽条件下，氧还原反应基本不存在，若缓蚀可实现，其途径预计将根本不同，例如通过改变腐蚀产物层本身来发挥作用。对于高温（>100 °C）、高压、无氧且存在固态NH₄Cl沉积等极端工况，关于钒酸盐能否有效缓蚀以及其作用形式是否与液相环境相同，目前仍缺乏系统的实验证据[11]。特别是，工程中广泛使用的低合金钢（如15CrMo）在此类环境中的腐蚀行为，以及缓蚀剂对腐蚀产物层结构和Cl?迁移行为的影响尚未得到充分揭示[12]。

因此，本研究以15CrMo钢为研究对象，在125 °C、3.5 MPa条件下，系统研究了焦磷酸钠（Na₃VO₄）在固态NH₄Cl和无氧气蒸汽环境中的缓蚀性能。通过失重测试、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和电子探针显微镜（EPMA）[13]，[14]，考察了缓蚀剂对平均腐蚀速率、腐蚀产物层形貌和厚度以及Cl?富集行为的影响。本研究旨在为NH₄Cl沉积腐蚀防护提供新的实验数据和缓蚀剂选择的依据。

章节摘要

材料与试样制备

实验基体材料为15CrMo低合金钢，其名义化学成分（质量分数，%）见表1。将钢切割成尺寸为50 mm × 10 mm × 3 mm的试样，顶部钻有直径6 mm的悬挂孔。所有试样表面依次用SiC砂纸打磨至1200目，然后在无水乙醇中超声清洗5 min，用冷风吹干，并存放于手套箱中备用。

该

缓蚀剂浸渍时间优化

图2显示了15CrMo钢试样在1.12 g/L Na₃VO₄溶液中分别浸渍不同时间后，经24小时腐蚀试验的腐蚀速率。浸渍60 s的试样腐蚀速率最低。因此，该时间被选为最优预处理条件，并应用于后续所有实验。

腐蚀动力学

根据以下公式由失重计算平均均匀腐蚀速率（mm·a?¹）：$$R\text{corr}=\frac{8.76\times {10}^4\times \left(\text{m}-{\text{m}}_0\right)}{\text{s}\times \text{t}\times \rho }$$

VO₄³?的预吸附与钒源供给

浸渍时间优化实验表明，15CrMo钢在1.12 g/L Na₃VO₄溶液中浸渍60 s即可实现约40%的稳定缓蚀效率，且延长浸渍时间缓蚀效率并未显著提高。该结果表明VO₄³?在钢表面的吸附是一个快速过程，能够在短时间内形成稳定的预吸附层[15]，[16]。缓蚀效率的平台

结论

• 1.
  15CrMo钢在NH₄Cl沉积环境（125 °C、3.5 MPa、无氧气蒸汽）中的腐蚀受闭塞电池机理支配。用1.12 g/L Na₃VO₄预处理60 s可实现约40%的缓蚀效率，相对于未处理试样在96小时内保持稳定。
• 2.
  Na₃VO₄预处理使腐蚀层厚度减少约67%并促进其致密化。钒以微量浓度分布于整个腐蚀层中，而Cl?富集区域则发生位移

作者贡献声明（CRediT）

李阳：数据管理。朱子丹：撰写——初稿、软件、调查研究、形式化分析。罗冰梅：验证、调查研究、形式化分析。程杰：调查研究、形式化分析。蔡晓豪：验证、调查研究。范磊：方法论。陈晓通：方法论。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

资金：本研究由新疆维吾尔自治区科技厅——重大科技项目资助[资助编号：2025A01008-5]。

李阳|朱子丹|罗冰梅|程杰|蔡晓豪|范磊|陈晓通