CO₂输运与封存设施在间歇运行时，钢表面可能经历反复冷凝与干燥。液滴覆盖范围随时间变化，腐蚀产物逐步累积，使后续润湿过程有别于初始暴露。与连续浸泡相比，这种局部、间歇的水相接触，是冷凝水腐蚀的重要特征。

Jackeline Vicente Vazquez等在Corrosion Science发表的研究，以API L80-1Cr低合金钢为对象，将液滴原位观察与表面、截面分析结合，比较了铁素体/珠光体和回火马氏体在常压加湿CO₂中的循环腐蚀行为。两种组织的初始冷凝过程总体相近，但腐蚀后的溶解形貌和平均蚀坑深度存在差异。已有腐蚀产物覆盖区也逐渐成为后续液滴优先聚集的区域。

▍论文信息

▍研究背景

在碳捕集与封存（CCS）系统中，温度和压力波动会改变水在CO₂中的溶解度，超过溶解限度时可能发生水析出。钢表面的液滴溶解CO₂后形成局部腐蚀介质。由于液滴体积有限、分布不均，且不断发生合并与蒸发，界面反应和腐蚀产物沉积具有明显的空间差异。运行中断或间歇注入所造成的反复润湿与干燥，进一步改变了这些局部过程。

铁素体与渗碳体的分布会影响选择性溶解及产物层形成，但已有认识主要来自CO₂饱和溶液中的浸泡试验。在冷凝条件下，组织对基体溶解的影响，还需结合液滴分布和腐蚀后表面状态的变化来分析。本研究据此设置两种组织状态和不同循环次数的对照，考察组织相关损伤与表面润湿过程之间的联系。

▍研究思路

研究选用同一API L80-1Cr钢的两种组织状态（图1）。供货态为回火马氏体（TM）；经950 ℃奥氏体化2 h并随炉缓冷，获得约含72%铁素体和28%珠光体的铁素体/珠光体（FP）组织。试样直径15 mm、厚3 mm，暴露面均用3 μm金刚石悬浮液完成终抛光，以尽量减小初始表面状态的差异。

图1  两种初始显微组织：（a）回火马氏体（TM）；（b）铁素体/珠光体（FP）。

试验采用图2所示的常压冷凝装置。CO₂以30 sccm的流量经80 ℃水浴加湿后通入试验腔，试样直接置于可控温换热器上，通过降温诱导表面冷凝。光学显微相机连续记录液滴演变，传感器监测腔内温度和相对湿度。相对湿度随温度及气流条件变化，并非独立设定的控制参数。

图2  常压加湿CO₂冷凝试验装置。

两种组织分别进行1次和3次冷凝—干燥循环，试样记为FP-1C、TM-1C、FP-3C和TM-3C。每次循环包括5 ℃、6 h的湿润阶段和25 ℃、15 h的干燥阶段，温度均指换热器设定值。试验开始前先在50 ℃下干燥1 h，阶段间升降温时间设为1 h。液滴尺寸采用Feret直径表征；腐蚀形貌与产物组成通过表面及截面SEM/EDS、XRD和XPS分析。坑深沿贯穿试样直径的15 mm截面测量，统计该截面内全部可见蚀坑的平均深度及标准差，用于比较局部腐蚀损伤。

▍主要结果

腐蚀产物覆盖区的液滴聚集与滞留

首轮湿润阶段，两种组织表面均由分散的小液滴逐渐形成尺寸较大、分布不均的液滴。1 h时的平均尺寸约为340 ± 74 μm，6 h时增至745 ± 183 μm，液滴下方已出现腐蚀产物。进入干燥阶段后，水分蒸发，留下与原液滴轮廓基本对应的沉积区域（图3）。FP与TM在这一阶段的冷凝行为总体相近，未观察到明显的组织相关差异。

图3  单次循环中不同时间的原位表面图像。

后续循环中，较大且不规则的液滴更多地出现在已有腐蚀产物覆盖区（图4）。第三次湿润阶段结束时，FP-3C和TM-3C的平均液滴尺寸分别达到2.268 ± 0.399 mm和2.591 ± 0.817 mm。与首轮相比，液滴数量减少、尺寸增大，末次干燥阶段结束后仍有部分大液滴未完全蒸发。液滴分布与产物覆盖区的对应关系，说明后续润湿过程受到腐蚀后表面状态的影响。作者将这种聚集及水分滞留与产物层引起的表面形貌、润湿性变化相联系，并讨论了孔隙结构和吸湿性可能产生的作用。其中，吸湿性及各表面因素的独立贡献未作专门测定。

图4  三次循环各湿润、干燥阶段结束时的原位图像。

腐蚀产物层的累积与界面形貌

单次循环后，腐蚀产物主要沿原液滴区域的周缘分布，局部可见球状沉积及暴露基体的开口区域。截面观察显示，产物层厚度不均，FP中存在铁素体溶解后残留的渗碳体；TM的基体与产物层界面起伏较大，产物层也更为破碎（图5）。

图5  单次循环后的表面与截面SEM图像。

三次循环后，原液滴覆盖区的产物分布更为密集，局部形成叠层结构，部分球状产物位于先前形成的产物层之上（图6）。不过，两种组织的产物层中仍可见裂纹和破碎区域。产物的持续累积并未消除局部损伤，因此其保护作用还需结合层结构完整性和基体腐蚀形貌判断。

图6  三次循环后的表面与截面SEM图像。

选择性溶解与蚀坑深度的组织差异

FP截面可见铁素体优先溶解后留下的片层状渗碳体，残余Fe₃C随后成为表面层的一部分。作者将这种选择性溶解归因于铁素体与渗碳体之间的微电偶作用。TM的部分截面位置也存在较深沟槽，但完整直径截面的坑深统计显示，其平均局部损伤程度低于FP。单次循环后，FP和TM的平均蚀坑深度分别为9.68 ± 5.84 μm和5.23 ± 1.19 μm；三次循环后分别为11.33 ± 4.73 μm和5.05 ± 2.28 μm（图7a）。FP在两种循环条件下均具有较大的平均坑深，TM的平均值则较为接近。这里的标准差反映所测截面内蚀坑深度的离散程度，所得比较限于1次和3次循环后的截面损伤，不能直接用于推断长期坑深增长。

表面含铁组分随干湿循环的变化

XPS拟合结果表明，表面层包含FeCO₃、FeOOH和残余Fe₃C。XRD识别出Fe₃C及部分试样中的FeOOH，未检出FeCO₃衍射峰。对于两种方法的差异，作者提出FeCO₃可能呈非晶态或含量低于XRD检出限的解释，其结晶状态仍有待确定。随循环次数增加，Fe 2p拟合中FeOOH的归一化相对贡献上升：FP由61.62%增至66.04%，TM由57.71%增至67.38%；FeCO₃的对应比例则分别由27.56%降至22.01%、由34.68%降至20.25%（图7b）。这些比例由XPS分析区内Fe₃C、FeOOH和FeCO₃三种含铁组分归一化得到，表征的是表面组分变化，而非整个产物层的体相含量。

图7  局部腐蚀与表面含铁组分的定量比较。

▍文章亮点

原位观察揭示了腐蚀表面对后续润湿的影响。连续图像记录了液滴由分散分布向既有产物区聚集的变化，并观察到后期干燥阶段的水分滞留，使循环腐蚀中的表面状态变化有了直接的实验依据。

同一钢种的组织对照明确了局部损伤差异。FP与TM的初始冷凝行为总体相近，腐蚀后的选择性溶解形貌和平均蚀坑深度却有所不同。截面观察与坑深统计共同反映了显微组织在冷凝水腐蚀中的作用。

将产物层演变与基体损伤结合分析。循环后产物分布更密集并形成局部叠层，但裂纹和局部腐蚀仍然存在。论文结合产物组成、界面形貌和截面坑深，讨论了产物持续沉积与基体损伤并存的特征。

▍小结

这项研究在常压冷凝条件下观察了低合金钢表面从初始润湿到循环腐蚀的演变。已有腐蚀产物影响后续液滴聚集和水分滞留，钢的显微组织则影响选择性溶解及局部损伤。在所考察的1次和3次循环中，FP的平均蚀坑深度均高于TM，但两种组织都出现了局部腐蚀和产物层破裂。因此对于间歇CO₂工况下的腐蚀评价，材料初始组织与腐蚀后的实际润湿状态都应纳入考虑。

▍原文链接

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.114361