1. 引言
金属腐蚀是指金属在其周围环境中发生化学或电化学反应而产生的变质或破坏现象。发电机组凝结水系统的设备与管道材料多为20号碳钢、介质多为除盐水、温度从几十摄氏度到一百多摄氏度。如果不控制水中氧含量和调节水的pH值合适，凝结水系统的设备与管道会发生氧腐蚀[1] -[7] 。曾有人研究过碳钢水热管在无氧高温高纯水中的腐蚀与成膜规律，研究温度为100℃~200℃，没有具体水质变化对腐蚀与成膜影响的研究[8] 。本文通过不锈钢高压釜单因素变化挂片试验，研究100℃除盐水中的溶解氧含量、pH值对碳钢的腐蚀影响，并在此基础上提出相应的防腐蚀措施。
2. 试验方法
2.1. 不锈钢高压釜挂片法
2.1.1. 试片材质和试验仪器
试验所用试片材质为20号碳钢，其化学成分(质量分数)为：C 0.202%，Mn 0.452%，Si 0.293%，Ni 0.031%，Cr 0.056%，V 0.0002%，Cu 0.074%，Fe余量[9] [10] 。
试验所用主要试验仪器为：FYX-1高压釜、BSA124S赛多利斯天平、721-100可见分光光度计、PHSJ-3F实验室pH计、DDS-307电导率仪等。
2.1.2. 试验步骤
1) 将试片用砂布和0号、2号、4号砂纸依次打磨后测量尺寸，然后用无水乙醇擦洗2遍、放入干燥器中干燥至恒重备用；
2) 将已调好pH值的除盐水倒入高压釜、恒重并称重的20号碳钢试片挂入高压釜的液侧；
3) 以80L/h的流量通入高纯氮气一定时间，然后迅速升温至预设温度并恒温8 h；
4) 取出碳钢试片，用除盐水清洗、擦去表面的腐蚀产物，再用无水乙醇擦洗干净、放入干燥器中干燥至恒重后称重；
5) 根据试验前后试片质量的变化计算碳钢的失重腐蚀速度，公式为：
式中V失重为失重腐蚀速度，g/(m2·h)；W1为试验后试片的质量，g；W0为试验前试片的质量，g；S为试片的表面积，m2；t为在高压釜中挂片试验的时间，h [11] 。
2.2. 铁含量测定法
通过测定高压釜挂片后釜液中的铁含量辅助分析碳钢的腐蚀情况[12] 。
采用国家标准“锅炉用水和冷却水分析方法”中的“铁的测定”方法即“1.10-菲罗啉分光光度法”测釜液中的铁含量。
根据釜液中铁含量计算碳钢的测铁腐蚀速度，公式为：
式中V测铁为测铁腐蚀速度，g/(m2·h)；C为釜液中铁含量，µg/L；V为釜液的体积，L；S为试片的表面积，m2；t为在高压釜中挂片试验的时间，h。
3. 结果与讨论
3.1. 在相同溶解氧含量下碳钢在除盐水中的腐蚀与pH值的关系
1) 表1为通过高压釜挂片试验得到的对除盐水不除氧时碳钢的腐蚀与pH值的关系。
由表1可知，20号碳钢在不除氧(氧含量在6895 µg/L左右)的100℃除盐水中，在试验的pH值范围内，测铁腐蚀速度远小于失重腐蚀速度，随pH值升高失重腐蚀速度明显减小。说明在100℃不除氧的除盐水中，提高pH值有利于减轻20号碳钢的腐蚀。
2) 表2为通过高压釜挂片试验得到的对除盐水除氧4 min、氧含量为1250 µg/L左右时碳钢的腐蚀与pH值的关系。
由表2可知，20号碳钢在部分除氧(氧含量在1250 µg/L左右)的100℃除盐水中，在试验的pH值范围内，测铁腐蚀速度远小于失重腐蚀速度，随pH值升高失重腐蚀速度和测铁腐蚀速度都是先稍微增大后明显减小。说明20号碳钢在100℃部分除氧的除盐水中，pH值调得不够高时腐蚀反而加重，pH值必须调得足够高腐蚀才会减轻。
3) 表3为通过高压釜挂片试验得到的对除盐水除氧14 min、氧含量为75.9 µg/L左右时碳钢的腐蚀与pH值的关系。
由表3可知，20号碳钢在大部分除氧(氧含量在75.9 µg/L左右)的100℃除盐水中，在试验的pH值范围内，测铁腐蚀速度远小于失重腐蚀速度，随pH值升高失重腐蚀速度先稍微增大后减小，测铁腐蚀速度是先明显增大后明显减小。说明20号碳钢在100℃大部分除氧的除盐水中，pH值调得不够高时腐蚀反而加重，pH值必须调得足够高腐蚀才会减轻。
4) 表4为通过高压釜挂片试验得到的对除盐水除氧30 min、氧含量为6.8 µg/L左右时碳钢的腐蚀与pH值的关系。
由表4可知，20号碳钢在几乎彻底除氧(氧含量在6.8 µg/L左右)的100℃除盐水中，在试验的pH值范围内，测铁腐蚀速度远小于失重腐蚀速度，随pH值升高失重腐蚀速度和测铁腐蚀速度都是先稍微增大后明显减小。说明20号碳钢在100℃几乎彻底除氧的除盐水中，pH值调得不够高时腐蚀反而加重，pH值必须调得足够高腐蚀才会减轻。
Table 1. The effect of pH value on the corrosion of carbon steel in the deionized water (oxygen content ≈ 6895 µg/L)
表1. 不除氧、氧含量为6895 µg/L左右时碳钢的腐蚀与pH值的关系
Table 2. The effect of pH value on the corrosion of carbon steel in the deionized water with oxygen content ≈ 1250 µg/L
表2. 除氧4 min、氧含量为1250 µg/L左右时碳钢的腐蚀与pH值的关系
表3. 除氧14 min、氧含量为75.9 µg/L左右时碳钢的腐蚀与pH值的关系
表4. 除氧30 min、氧含量为6.8 µg/L左右时碳钢的腐蚀与pH值的关系
3.2. 在相同pH值除盐水中碳钢的腐蚀与溶解氧含量的关系
1) 表5为通过高压釜挂片试验得到的pH值为6.0左右的除盐水中碳钢的腐蚀与氧含量的关系。
由表5可知，20号碳钢在100℃不调pH值(6.0左右)的除盐水中，在试验的氧含量范围内，随氧含量减少腐蚀速度变小。说明在100℃不调pH值的除盐水中，减少氧含量有利于减轻20号碳钢的腐蚀。
2) 表6为通过高压釜挂片试验得到的pH值为7.0左右的除盐水中碳钢的腐蚀与氧含量的关系。
由表6可知，20号碳钢在100℃调pH值为7.0左右的除盐水中，在试验的氧含量范围内，测铁腐蚀速度远小于失重腐蚀速度，随氧含量减少失重腐蚀速度变小。说明在100℃调pH值为7.0左右的除盐水中，减少氧含量有利于减轻20号碳钢的腐蚀。
3) 表7为通过高压釜挂片试验得到的pH值为8.0~8.5的除盐水中碳钢的腐蚀与氧含量的关系。
由表7可知，20号碳钢在100℃调pH值为8.0~8.5的除盐水中，在试验的氧含量范围内，测铁腐蚀速度远小于失重腐蚀速度，随氧含量减少腐蚀速度先减小后变化不大。说明在100℃调pH值为8.0~8.5的除盐水中，减少氧含量有利于减轻20号碳钢的腐蚀。
4) 表8为通过高压釜挂片试验得到的pH值为9.0~9.5的除盐水中碳钢的腐蚀与氧含量的关系。
由表8可知，20号碳钢在100℃调pH值为9.0~9.5的除盐水中，在试验的氧含量范围内，测铁腐蚀速度远小于失重腐蚀速度，随氧含量减少腐蚀速度变小。说明在100℃调pH值为9.0~9.5的除盐水中，减少氧含量有利于减轻20号碳钢的腐蚀。
表5. pH值为6.0左右时碳钢的腐蚀与氧含量的关系
表6. pH值为7.0左右时碳钢的腐蚀与氧含量的关系
表7. pH值为8.0~8.5时碳钢的腐蚀与氧含量的关系
表8. pH值为9.0~9.5时碳钢的腐蚀与氧含量的关系
4. 结论
1) 100℃除盐水中pH值和氧含量对碳钢腐蚀影响的规律为：
a) 在试验的氧含量和pH值范围内，在100℃不除氧的除盐水中，提高pH值有利于减轻20号碳钢的腐蚀；在100℃部分除氧或几乎彻底除氧的除盐水中，pH值调得不够高(如8.0~8.5)时腐蚀反而加重，pH值必须调得足够高(如9.0~9.5)腐蚀才会减轻。
b) 在试验的氧含量和pH值范围内，在100℃各pH值除盐水中，减少氧含量均有利于减轻20号碳钢的腐蚀。
2) 建议的100℃除盐水中碳钢的防腐蚀措施为：
a) 在100℃不除氧即氧含量很高(6895 µg/L左右)的除盐水中，为减轻或防止20号碳钢的腐蚀，应调节除盐水的pH值为碱性，建议将pH值调至9.0~9.5及以上。
b) 在100℃部分除氧或几乎彻底除氧即氧含量不是很高(6.8 µg/L~1250 µg/L)的除盐水中，为减轻或防止20号碳钢的腐蚀，应不调节除盐水的pH值或将pH值调得足够高(如9.0~9.5)，建议将pH值调至9.0~9.5。
致谢
感谢国家大学生创新实验项目“一种咪唑啉对除盐水中碳钢的缓蚀作用研究(201510486055)”的资助，感谢武汉大学动力与机械学院谢学军教授的悉心指导。