地热能是一种洁净的可再生能源，利用地热水作为能源资源，取代常规能源，每年可以减少数万吨污染物的排放。然而，地热水的腐蚀和结垢问题制约了地热能作为清洁能源的使用。因此，分析地热水的成分，研究其对常用金属材料的腐蚀性，选择恰当的防腐蚀材料和采用有效的防腐蚀措施显得尤为重要。

    1.实验

    1.1 试样规格及预处理

    试样：304不锈钢和20#碳钢板材

    尺寸：30mm×15mm×2.5mm的304不锈钢和20#碳钢试样

    预处理：打磨→化学除油→水洗→吹干→浸酸活化→施镀（化学镀液的成分如表1所示，调节PH为4.5，温度保持在90℃，施镀时间2.5h）

    表1 化学镀液的成分

    1.2 试验内容

    （1）地热水腐蚀与结垢的判断 ；

    （2）全浸试验；

    （3）腐蚀电化学试验。

    模拟广东某地区地热水，配方见表2，水温74℃，PH值7.99，以碳酸钙计的总硬度为49.39mg/L、总碱度为209.97 mg/L、总酸度为4.93 mg/L。

    表2 模拟地热水溶液配方

    1.3 形貌表征及性能测试

    采用体式显微镜对钢材表面进行形貌观察；

    采用超声清洗仪对钢材表面的腐蚀与结垢产物进行清除；

    采用电化学工作站对钢材进行腐蚀电化学试验。

    2.实验结果与讨论

    2.1地热水腐蚀与结垢类型的判断

    采用雷诺兹指数判断时，其计算公式为：

    式中，pHa为实测pH值，pHs为计算出的pH值。

    pHs的计算公式如下：

    式中，[Ca2+]为溶液中钙离子的摩尔浓度，mol/L；[ALK]为溶液中碳酸氢根离子的摩尔浓度，mol/L；Kc是两个和温度有关的平衡常数以及活度系数的复杂常数，取74℃时的值。

    由式（1）和（2）可计算出所模拟的该地区地热水的RI=5.5，可知该地热水属于结垢情况中等。

    2.2 三种钢材在模拟地热水溶液中的腐蚀结垢规律

    将镀镍磷钢、304不锈钢和20#碳钢试样在74℃地热水中浸泡10天，每2天取出，在表面清理前和清理后分别称重，得到三种钢材试样的结垢速率和平均腐蚀，如表3所示。

    在浸泡前，四种材料试样表面平滑有光泽，碳钢在浸泡一天的时间后表面已经腐蚀生锈，两天后腐蚀加剧，但腐蚀速率在最后几天不再升高，达到了稳定值。

    而304不锈钢和镀镍磷钢在浸泡十天后表面依然没有发生腐蚀，表面被一层薄薄的粉状结垢产物覆盖失去了金属光泽。可以直观地得出304不锈钢和镀镍磷钢在模拟溶液中有更好的耐腐蚀性。

    表3  三种试样在模拟地热水中的腐蚀和结垢速率

图1 三种试样在模拟地热水中表面形貌

    而在结垢方面，三种试样浸泡10天的表面形貌如图1所示。结合表3，可知20#碳钢的腐蚀和结垢产物较多，呈黄色和黑色，结垢速率最大；304不锈钢在浸泡10天后，表面被白色污垢所覆盖，垢层较厚，且结合紧密；而镀镍磷钢表面则零散地分布着少量污垢，且易剥离。

    2.3 三种钢材在模拟地热水溶液中腐蚀电化学分析

    为了进一步表征三种钢材的耐腐蚀性能，测量了三种钢材的极化曲线和交流阻抗。图2是三种钢材在74℃模拟地热水溶液中的Tafel极化曲线，所得相关电化学参数详见表4。

    图2 三种钢材的极化曲线

    表4 三种钢材的极化曲线拟合参数

    由图2和表4可以看出，在20#碳钢基体上施镀后，发生腐蚀的倾向减小，说明镀层有效地降低了腐蚀的可能性。而镀镍磷钢表现出最佳的耐腐蚀性能，镀镍磷钢的极化电阻值也远高于304不锈钢和20#碳钢。

    为了确定三种钢材表面腐蚀的发生和发展，对钢材进行交流阻抗测试，比较阻抗值来表征材料表面的耐腐蚀性能。图3为三种钢材在74℃模拟地热水溶液中的交流阻抗谱，图4为其等效电路图，其中Rs为模拟地热水溶液的电阻，Cd为材料表面钝化膜的电容，Rt为电化学反应的电荷传递电阻。相关电化学拟合参数见表5。

    图3 三种钢材的交流阻抗谱。

    图4  三种钢材的交流阻抗谱等效电路图

    表5  三种钢材的交流阻抗谱拟合参数

    3.结论

    全浸试验从宏观上表明镀镍磷钢在模拟的地热水溶液中未发生宏观腐蚀，且生成的污垢少而分散；而304不锈钢虽然也未发生宏观腐蚀，但生成的污垢较多且结合紧密；20#碳钢则产生大量腐蚀和结垢产物，但随时间延长，产物的量趋于稳定。

    腐蚀电化学试验则从微观层面证明了镀镍磷钢的耐腐蚀性能优于304不锈钢及碳钢，结合其成本和制造工艺，可知镀镍磷钢适合作为开发利用地热水的管道用材。

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责任编辑：王元

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