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        鋼鐵材料在黃河三門峽水庫中的腐蝕行為

        2017-03-23 05:28:26劉凱吉黃桂橋丁國清楊海洋
        裝備環(huán)境工程 2017年2期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼

        劉凱吉,黃桂橋,丁國清,楊海洋

        (1.青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司,山東 青島 266071;2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所,山東 青島 266071)

        鋼鐵材料在黃河三門峽水庫中的腐蝕行為

        劉凱吉1,2,黃桂橋1,2,丁國清1,2,楊海洋1,2

        (1.青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司,山東 青島 266071;2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所,山東 青島 266071)

        目的獲取典型鋼鐵材料在黃河三門峽水庫中長期暴露的腐蝕結(jié)果和腐蝕行為。方法采用暴露腐蝕試驗,將1種碳鋼、3種低合金鋼和3種不銹鋼材料在三門峽水庫中暴露1,2,5,8 a,用金相顯微鏡測量各材料的點蝕深度,觀察腐蝕形貌,并計算其腐蝕速率。結(jié)果在三門峽水庫中暴露8 a,碳鋼和低合金鋼的腐蝕行為基本相同,4種鋼暴露1 a的平均腐蝕速度接近,為0.047~0.050 mm/a,暴露1~8 a,Q235B的平均腐蝕速度為0.040 mm/a,X70,X80和D36鋼的平均腐蝕速度與Q235B相差不大,分別為0.039,0.034,0.037 mm/a。暴露1 a后,0Cr13表面有蝕點,最大點蝕深度為0.010 mm,暴露8 a后,0Cr13試樣的邊角、鉆孔處出現(xiàn)潰爛、穿孔。暴露8 a后,304和316L的最大點蝕深度均小于0.1 mm。結(jié)論Q235B,X70,X80,D36在黃河三門峽水庫中的腐蝕行為基本相同,它們在第1年的腐蝕速度較大,暴露1 a后腐蝕速度略有降低。0Cr13腐蝕嚴重,暴露8 a,發(fā)生腐蝕潰爛、穿孔現(xiàn)象。304和316L在三門峽水庫中有很好的耐蝕性。

        鋼鐵材料; 淡水; 腐蝕

        我國河湖眾多,水資源豐富。水資源的開發(fā)和利用需要使用大量的鋼鐵材料。獲取鋼鐵材料在河湖及水庫中的腐蝕結(jié)果和腐蝕行為,能為在河湖及水庫中服役的裝備、設(shè)施等的設(shè)計、選材及有效防護提供依據(jù),減少腐蝕損失。國外關(guān)于鋼鐵材料在河湖及水庫中的腐蝕結(jié)果、腐蝕行為的研究報道很少。1976年Southwell C R等[1]報道了鋼鐵材料在巴拿馬運河區(qū)Gatun Lake(淡水湖)中暴露16 a的腐蝕結(jié)果和腐蝕行為。我國于2002開始在河水中系統(tǒng)地開展金屬和涂鍍層材料的暴露腐蝕試驗[2]。夏蘭廷等[3]、黃桂橋等[4]和周學(xué)杰等[5]先后報道了鋼鐵材料在武漢長江中的腐蝕結(jié)果和腐蝕行為。曹剛等[6—7]對碳鋼在污染水體和淡水環(huán)境中的腐蝕行為進行了研究報道。張小陽、王占華等[8—11]進行了碳鋼、不銹鋼焊件、涂鍍層材料在新疆“635”水庫和三門峽水庫中的腐蝕試驗研究。目前,國內(nèi)報道的鋼鐵材料在河湖和水庫中的腐蝕結(jié)果和腐蝕行為都不大于4 a,缺乏長期的腐蝕結(jié)果的積累和腐蝕行為的研究。獲取鋼鐵材料更長時間的暴露腐蝕數(shù)據(jù)和腐蝕行為,對在河湖水中服役的裝備、設(shè)施的設(shè)計、選材及防護具有更高的應(yīng)用價值。

        文中采用現(xiàn)場暴露試驗方法,獲得了7種鋼鐵材料在三門峽水庫中暴露1,2,5,8 a的腐蝕結(jié)果,總結(jié)了其腐蝕行為。

        1 試驗

        試驗材料為1種碳鋼、3種低合金鋼和3種不銹鋼,共7種。試驗材料均為市售的板材。碳鋼、低合金鋼為熱軋鋼板,3種不銹鋼為冷軋鋼板。它們的牌號、化學(xué)成分見表1。鋼板經(jīng)剪切、磨光等加工成試樣。試樣尺寸為200 mm×100 mm×(2~5) mm。碳鋼、低合金鋼試樣表面磨光,粗糙度為3.2 mm。不銹鋼試樣的主試驗面保持原軋制狀態(tài),側(cè)面磨光。

        表1 7種試驗材料的化學(xué)成分%

        試驗地點在黃河三門峽水庫,其地理位置及環(huán)境因素見表2。水質(zhì)為典型的黃河水,泥沙含量大。用絕緣隔套將試樣固定在試驗架上,浸入三峽水庫區(qū)中。

        暴露時間為1,2,5,8 a。暴露試驗參照GB/T 5776—2005。按GB/T 6384—2008附錄A測量碳鋼、低合金鋼的局部腐蝕深度。用金相顯微鏡測量不銹鋼的點蝕深度。

        表2 試驗點地理位置及環(huán)境因素平均值

        2 結(jié)果和討論

        2.1 碳鋼、低合金鋼

        在三門峽水庫中暴露8 a,4種鋼的腐蝕行為基本相同。在三門峽暴露1 a,鋼試樣表面覆蓋黃色、黃褐色銹層,見圖1。去除表面黃色、黃褐色銹層,內(nèi)銹層為黑色。暴露1~8 a,試樣表面的銹層隨暴露時間增厚。試驗的碳鋼、低合金鋼的腐蝕類型為全面腐蝕。腐蝕表面不均勻,表面有蝕坑和蝕斑,見圖2。按腐蝕形貌[12]分類,它們的腐蝕形貌為坑蝕和斑蝕。

        圖1 Q235,X70在三門峽水庫中暴露1a的外觀

        圖2 Q235,X70暴露1a后去除腐蝕產(chǎn)物的外觀

        由表3可以看出,4種鋼在黃河三門峽水庫中的腐蝕速率基本呈下降趨勢。圖3是4種鋼在黃河三門峽水庫中的平均腐蝕深度-時間曲線(平均腐蝕深度=腐蝕速率×暴露時間)。結(jié)果表明,4種鋼的腐蝕深度差別不大。鋼在第1年的腐蝕速度較大,1 a后腐蝕速度略有降低??梢哉J為,暴露1 a后,鋼的腐蝕深度與時間呈直線關(guān)系。4種鋼暴露1a的平均腐蝕速度接近,為0.047~0.050 mm/a。暴露1~8a,Q235B的平均腐蝕速度為0.040 mm/a。X70,X80和D36鋼的平均腐蝕速度與Q235B相差不大,分別為0.039,0.034和0.037 mm/a。

        表3 4種鋼在黃河三門峽水庫中暴露不同時間的腐蝕速率mm/a

        圖3 4種鋼在三門峽水庫中的平均腐蝕深度-時間曲線

        圖4 是4種鋼在三門峽水庫中的平均局部腐蝕(坑蝕和斑蝕)深度和最大局部腐蝕深度隨時間變化的曲線。結(jié)果表明,Q235B,X70和X80鋼在暴露的第1年局部腐蝕發(fā)展速度較快,D36在暴露的前2年局部腐蝕發(fā)展速度較快,之后局部腐蝕發(fā)展速度減慢。在暴露5 a后,它們的局部腐蝕發(fā)展速度都呈現(xiàn)上升趨勢。4種鋼的局部腐蝕深度較大的差別。Q235B和D36的局部腐蝕深度較小,它們暴露8 a的最大局部腐蝕深度為0.75 mm和0.77 mm。X80的局部腐蝕深度較大,它暴露8 a的最大局部腐蝕深度為1.43 mm。

        圖4 4種鋼在三門峽水庫中的局部腐蝕深度

        2.2 不銹鋼

        3種不銹鋼在三門峽水庫中的腐蝕結(jié)果見表4。在三門峽水庫中,0Cr13的腐蝕嚴重。暴露1 a后,0Cr13表面有少量黃褐色的銹點和銹跡,銹點和銹跡在試樣的邊角、鉆孔的邊緣和劃傷處,說明邊角、鉆孔的邊緣和劃傷處對點蝕敏感。去銹后,0Cr13表面有蝕點,最大點蝕深度為0.010 mm。暴露8 a后,0Cr13試樣的邊角、鉆孔處出現(xiàn)潰爛、穿孔,如圖5所示。腐蝕潰爛是以蝕點為起點發(fā)展形成的,即它是點蝕的一種形貌。

        表4 不銹鋼在黃河三門峽水庫中暴露的腐蝕結(jié)果

        圖5 0Cr13在三門峽水庫中暴露8 a的外觀

        在三門峽水庫中,304和316L有很好的耐蝕性。它們有相同的腐蝕行為,耐蝕性也基本相同。在三門峽水庫中暴露1~5 a,304,316L試樣的鉆孔邊緣有銹跡。去銹后,304和316L表面僅可看出腐蝕痕跡,但在金相顯微鏡下看不到蝕點,腐蝕形貌為無明顯腐蝕[12]。暴露8a后,在銹跡處,304和316L發(fā)生較淺的點蝕。它們的蝕點用肉眼看不到,在金相顯微鏡下放大后可觀察到,如圖6所示。暴露8 a后,304的平均點蝕為0.030 mm,最大點蝕深度為0.040 mm;316L平均點蝕深度為0.045 mm,最大點蝕深度0.070 mm。即304和316L的最大點蝕深度均小于0.1 mm。在三門峽水庫中,304和316L的耐蝕性比0Cr13高得多。

        圖7 304,316L在金相顯微鏡下的蝕點形貌

        由表4可知,不銹鋼的腐蝕速率都非常小。腐蝕嚴重的0Cr13的腐蝕速率小于0.006 mm/a,304和316L的腐蝕速率小于0.0001 mm/a。試驗的3種不銹鋼的腐蝕速率大小與它們的點蝕腐蝕重輕順序一致。不銹鋼在淡水中因局部腐蝕遭到破壞,而用質(zhì)量損失計算的腐蝕率表示的是均勻減薄速度,不能僅用腐蝕速率評價不銹鋼在淡水中的耐蝕性。

        3 結(jié)論

        1)試驗的4種鋼在三峽水庫中的腐蝕行為基本相同。它們暴露第1年的腐蝕速度較大,1 a后腐蝕速度略有降低。

        2)鋼在暴露的第1年或前2年的點蝕發(fā)展速度較快,之后點蝕發(fā)展速度減慢。在暴露5 a后,它們的點蝕發(fā)展速度都呈現(xiàn)上升趨勢。

        3)在黃河三門峽水庫中,0Cr13的腐蝕嚴重,暴露8 a后發(fā)生腐蝕潰爛、穿孔。

        4)304和316L在三門峽水庫中有很好的耐蝕性。暴露5a,304和316L無明顯腐蝕。暴露8 a,最大點蝕深度小于0.1 mm。

        參考文獻:

        [1] SOUTHWELL C R, BULTMAN J D, ALEXANDER A L. Corrosion Of Metals In Tropical Environments[J]. Final Report of 16-Year Exposures[J]. Materials Performance, 1976, 15(7): 9—26.

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        [4] 黃桂橋, 楊朝暉, 周學(xué)杰, 等. 鋼鐵材料在武漢長江中的現(xiàn)場腐蝕試驗結(jié)果[J]. 腐蝕與防護, 2009, 30 (10): 675—677.

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        [6] 曹剛, 毛旭輝, 甘復(fù)興, 等. A3鋼在污染淡水體中腐蝕行為的初步研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2005, 2(3): 63—66.

        [7] 曹剛, 高翠, 甘復(fù)興. 碳鋼在淡水環(huán)境中的腐蝕行為[J]. 裝備環(huán)境工程, 2006, 3(1): 46—51.

        [8] 張小陽, 王占華, 張志修. 材料及防護涂層在淡水環(huán)境中的腐蝕試驗研究[J]. 腐蝕與防護, 2006, 27(5): 240—243.

        [9] 張小陽, 關(guān)新成, 王占華. 金屬材料及防護涂層在兩種淡水環(huán)境中的腐蝕試驗研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2006(5): 34—37.

        [10] 王占華, 張小陽, 楊建良. 金屬材料及防護涂層在淡水環(huán)境中的腐蝕試驗研究及應(yīng)用(一)[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2009, 17(1): 45—47.

        [11] 王占華, 張小陽, 楊建良. 金屬材料及防護涂層在淡水環(huán)境中的腐蝕試驗研究及應(yīng)用(二)[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2009, 17(2): 15—18.

        [12] 黃桂橋, 楊朝暉, 歐家才, 等. 我國金屬材料水環(huán)境腐蝕類型及其評定[J]. 腐蝕與防護, 2010(4): 255—259.

        Corrosion Behaviors of Ferrous Metals Exposed to Yellow River Sanmenxia Reservoir of China

        LIU Kai-ji1,2, HUANG Gui-qiao1,2, DING Guo-qing1,2, YANG Hai-yang1,2
        (1.Qingdao NCS Testing & Protection Technology Co. Ltd, Qingdao 266071, China; 2.Qingdao Marine Corrosion Research Institute, Qingdao 266071, China)

        ObjectiveTo obtain the corrosion results and corrosion behaviors of typical ferrous materials which were exposed to the Yellow River Sanmenxia Reservoir for a long period.MethodsExposure corrosion test was used. One kind of carbon steel, 3 kinds of low-alloy steel, and 3 kinds of stainless steel were exposed in the Sanmenxia Reservoir of the Yellow River for1a, 2a, 5a, and 8a. A metalloscope was used to measure the pitting, observe the corrosion morphology and calculate the corrosion rate of different materials.ResultsThe corrosion behaviors of the carbon steel and the low-alloy steel were almost the same after they were exposed in the Sanmenxia Reservoir. The average corrosion rate of four steels exposed for 1 a was similar, it was 0.047~0.050 mm/a. The average corrosion rate of Q235B exposed for 1-8 a was 0.040 mm/a. The average corrosion rate of steel X70, X80 and D36 had little difference with Q235B, were 0.039, 0.034 and 0.037 mm/a respectively. What’s more, after 1 a of exposure, corrosion spots could be seen in the surface of 0Cr13, the deepest corrosion was 0.010mm; and after 8a of exposure, corrosion and holes could be seen in the corners of 0Cr13, and the deepest corrosion of both 304 and 316L was below 0.1 mm.ConclusionCorrosion behaviors of Q235B,X70, X80 and D36 exposed in the Yellow River Sanmenxia Reservoir are similar. The corrosion rate of steels exposed for 1a is high, but decreases after the first year. 304 and 316L have good corrosion resistance in the Yellow River Sanmenxia Reservoir, but 0Cr13 is corroded seriously in the river and is perforated after eight years.

        ferrous metal; fresh water; corrosion

        10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.011

        TJ04;TG172.5

        A

        1672-9242(2017)02-0058-05

        2016-09-30;

        2016-11-02

        劉凱吉(1988—),男,山東青島人,工程師,主要研究方向為水環(huán)境腐蝕。

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