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探究CO?与亚硝酸盐共存环境下Q235碳钢的钝化与局部腐蚀行为

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业中，碳钢因其良好的综合性能和较低的成本，被广泛应用于石油、天然气、化工、电力等众多领域，如油气输送管道、储油罐、化工反应设备等。然而，碳钢在复杂的工业环境中极易发生腐蚀，其中二氧化碳（CO_2）和亚硝酸盐共存的环境对碳钢的腐蚀问题尤为突出。

二氧化碳溶于水后会形成碳酸，降低溶液的pH值，使环境呈酸性，从而引发碳钢的电化学腐蚀。在油气田开采过程中，石油和天然气中含有的CO_2会对井下和地面集输管线造成严重腐蚀，不仅会导致管道壁厚减薄、强度降低，甚至可能引发管道泄漏、破裂等恶性事故，给油气田带来重大经济损失，还会对环境造成污染。而亚硝酸盐作为一种常见的化学物质，在工业循环水系统、金属加工液等中被广泛使用，其主要作用是作为缓蚀剂来抑制金属的腐蚀。但在某些情况下，亚硝酸盐与CO_2可能会共同存在于碳钢所处的环境中，使得碳钢的腐蚀行为变得更加复杂。

当CO_2和亚硝酸盐同时存在时，它们之间可能会发生相互作用，这种相互作用会对碳钢表面的钝化膜和腐蚀产物膜的形成、结构和性能产生显著影响，进而改变碳钢的腐蚀速率和腐蚀形态，导致局部腐蚀的发生。局部腐蚀具有隐蔽性强、危害性大的特点，一旦发生，往往会在短时间内造成设备的严重损坏，引发安全事故，威胁人员生命安全，同时也会带来巨大的经济损失，包括设备维修、更换成本，以及因生产中断造成的间接经济损失等。

因此，深入研究Q235碳钢在二氧化碳和亚硝酸盐共有环境中的钝化和局部腐蚀行为，对于揭示其腐蚀机制，制定有效的防护措施，提高工业设备的使用寿命和安全性，保障工业生产的顺利进行，具有重要的理论意义和实际应用价值。通过对这一问题的研究，可以为工业领域中碳钢材料的合理选用、腐蚀防护方案的设计提供科学依据，从而降低腐蚀带来的经济损失，促进工业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对碳钢在二氧化碳环境下的腐蚀行为开展了大量研究。在腐蚀机理方面，Hausler等人根据腐蚀发生的地点，将二氧化碳的腐蚀机理归纳为界面机理和中间相机理，两种腐蚀机理的转变与材料的表面特性相关。Nesic等人认为在室温下，无产物膜的碳钢在二氧化碳环境中的腐蚀反应，碳酸直接还原参与阴极反应，并且二氧化碳的水化是控制步骤。在影响因素研究上，众多研究表明温度、二氧化碳分压、流速、pH值及腐蚀产物膜等对二氧化碳腐蚀均有重要影响。赵景茂等研究发现碳钢在二氧化碳饱和溶液中的腐蚀速率随CO_2压力的升高而增大，温度在60℃时腐蚀速率最大。

对于亚硝酸根对碳钢表面的钝化作用，在碱性和中性环境中相关研究较多。亚硝酸根作为一种强氧化性物种，能够修复碳钢表面自然钝化膜上的缺陷，促进碳钢表面的再钝化，强化钝化膜对碳钢基体的保护作用。但在酸性环境中，特别是在CO_2腐蚀环境中，NO_2^-对碳钢的钝化作用效果和机制还缺乏深入研究，相关文献报道较少。

在二氧化碳和亚硝酸盐共存环境下，关于碳钢的腐蚀研究相对较少。目前对于两者共存时如何相互作用影响碳钢的钝化和局部腐蚀行为还未形成系统的认识，尤其是在局部腐蚀的微观机制、钝化膜和腐蚀产物膜的演变规律以及各因素的协同作用等方面，仍存在许多未知和需要深入探究的地方。

1.3研究目标与内容

本研究旨在全面深入地探究Q235碳钢在二氧化碳和亚硝酸盐共有环境中的钝化和局部腐蚀行为，具体研究目标和内容如下：

研究目标：明确Q235碳钢在二氧化碳和亚硝酸盐共存环境中的钝化行为特征，包括钝化膜的形成过程、结构和性能；揭示该环境下Q235碳钢局部腐蚀的发生机制和影响因素，建立腐蚀模型；为Q235碳钢在二氧化碳和亚硝酸盐共有环境中的腐蚀防护提供理论依据和技术支持。

研究内容：通过电化学测试、表面分析技术等手段，研究Q235碳钢在二氧化碳饱和溶液中和亚硝酸钠溶液中的腐蚀行为，对比分析两种单一环境下碳钢的腐蚀特点；探究二氧化碳饱和溶液中亚硝酸根对碳钢的钝化作用，包括钝化膜的表征、钝化机制的探讨；研究碳钢在含亚硝酸根和氯离子的二氧化碳饱和溶液中的小孔腐蚀行为，分析小孔腐蚀的现象、电化学特征、形貌以及亚硝酸根和氯离子浓度对孔蚀电位的影响，揭示小孔腐蚀的机制；探讨二氧化碳和亚硝酸根共存环境中碳钢的晶间腐蚀行为，研究晶间腐蚀的条件、过程，分析动电位扫描速度、二氧化碳浓度、亚硝酸钠浓度对晶间腐蚀的影响，阐明晶间腐蚀的机制和萌生过程。

二、实验材料与方法

2.1实验材料

本实验选用Q235碳钢作为研究对象，其化学成分（质量分数）如表1所示，主要元素包括铁（Fe）、碳（C）、锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）等，各元素含量对其性能有着重要影响。例如，碳含量适中，使得Q235