李超，吳恒，張波，蓋德勝

（1.青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)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）

典型不銹鋼在淡化海水中的耐腐蝕性能研究

李超1,2，吳恒1,2，張波1,2，蓋德勝1,2

（1.青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)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）

目的研究316L和2205在淡化海水中的耐腐蝕性能，并研究水處理藥劑對(duì)不銹鋼耐蝕性的影響。方法采用電化學(xué)試驗(yàn)、慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)、掃描電鏡等方法。結(jié)果在淡化海水中，316L臨界點(diǎn)蝕溫度為42.7 ℃，加入藥劑后為70.2 ℃；2205的臨界點(diǎn)蝕溫度大于85 ℃。2205耐縫隙腐蝕性能明顯好于316L，藥劑對(duì)2205也具有一定的緩蝕作用。316L和2205在50 ℃淡化海水中具有高應(yīng)力腐蝕抗力。結(jié)論316L不適合直接在淡化海水中應(yīng)用，但適合在加入藥劑的淡化海水中使用；2205適合在淡化海水中應(yīng)用。

淡化海水；不銹鋼；點(diǎn)蝕；縫隙腐蝕；應(yīng)力腐蝕

近年來(lái)，淡水資源日益緊缺，淡化海水在濱海地區(qū)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用比例逐漸增大[1]，循環(huán)冷卻水是淡化海水重要的工業(yè)用途之一。因海水淡化技術(shù)不同，生產(chǎn)出的淡化海水腐蝕性差異很大，其中反滲透淡化海水因具有低硬度、低堿度、高電導(dǎo)率和高Cl-濃度等特點(diǎn)[2]，腐蝕性很強(qiáng)。有研究表明，常溫下淡化海水對(duì)碳鋼的腐蝕性甚至超過(guò)海水[3—4]。在工況條件下，淡化海水循環(huán)冷卻水的溫度通常在50 ℃左右，最高不超過(guò)70 ℃。在循環(huán)冷卻過(guò)程中，淡化海水中離子濃度最高濃縮到3～4倍，腐蝕性更強(qiáng)。因此，使用淡化海水作循環(huán)冷卻水后，很多碳鋼換熱設(shè)備發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題。雖然加入具有緩蝕功能的水處理藥劑可以在一定程度上減緩碳鋼的腐蝕，但碳鋼腐蝕率仍比較大，且藥劑控制精度一旦出現(xiàn)偏差，仍會(huì)發(fā)生各種腐蝕事故。因此，使用耐蝕性更好的材料才是解決問(wèn)題的最佳途徑。

不銹鋼具有良好導(dǎo)熱性能和耐蝕性，廣泛應(yīng)用于淡水換熱器，部分牌號(hào)在海水環(huán)境中也有成功的應(yīng)用[5—6]，但在淡化海水中的耐蝕性研究較少[7—9]。文中選擇316L和2205兩種典型不銹鋼作為研究對(duì)象，通過(guò)電化學(xué)、慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)等方法研究不銹鋼在淡化海水循環(huán)水中的耐蝕性，并研究水處理藥劑對(duì)不銹鋼耐蝕性的影響，為使用淡化海水冷卻設(shè)備的選材提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料分別為316L和2205不銹鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，試驗(yàn)介質(zhì)為天津某工廠使用的淡化海水循環(huán)冷卻水，其主要水質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2，水處理劑添加要求見(jiàn)表3。

表1 試驗(yàn)材料合金元素成分 %

表2 試驗(yàn)介質(zhì)主要水質(zhì)參數(shù)（25 ℃）

表3 水處理藥劑添加要求

電化學(xué)試驗(yàn)均由EG&G 2273電化學(xué)工作站完成，由工作電極、飽和甘汞電極和鉑電極組成三電極體系，工作電極為1 cm×1 cm試樣焊接銅導(dǎo)線后用環(huán)氧樹(shù)脂封固形成。試驗(yàn)表面用水砂紙逐級(jí)打磨至1000#，依次用丙酮和去離子水清洗，用吹風(fēng)機(jī)吹干，干燥24 h后待用。

臨界點(diǎn)蝕溫度試驗(yàn)起始溫度為15 ℃，開(kāi)路電位穩(wěn)定10 min后開(kāi)始加熱，保持試驗(yàn)溶液升溫速度在（1±0.3）/min℃，同時(shí)對(duì)工作電極進(jìn)行700 mV陽(yáng)極極化（文中電位均為相對(duì)于飽和甘汞電極電位）。當(dāng)腐蝕電流密度持續(xù)上升至100 μA/cm2，并持續(xù)增長(zhǎng)1 min后停止試驗(yàn)。腐蝕電流密度為100 μA/cm2時(shí)的溫度為材料的臨界點(diǎn)蝕溫度。

點(diǎn)蝕特征電位通過(guò)循環(huán)伏安曲線測(cè)得，工作電極開(kāi)路電位穩(wěn)定后，以2 mV/s的速度從開(kāi)路電位正向掃描，316L掃描900 mV后回掃至原開(kāi)路電位，2205掃描2000 mV后回掃至原開(kāi)路電位?？p隙腐蝕再鈍化電位測(cè)量主要按照GB/T 13671—92進(jìn)行，三電極體系恒溫穩(wěn)定1 h后開(kāi)始測(cè)量縫隙腐蝕再鈍化電位，初始誘發(fā)腐蝕電位選擇800 mV。應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)采用慢應(yīng)變速率拉伸(SSRT)，試驗(yàn)設(shè)備為L(zhǎng)ETRY慢拉伸試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為1×10-6/s，試驗(yàn)介質(zhì)為淡化海水循環(huán)冷卻水，空白對(duì)照試驗(yàn)介質(zhì)為甘油，試樣為啞鈴型棒狀拉伸試樣。除臨界點(diǎn)蝕溫度試驗(yàn)外，其他試驗(yàn)溫度均為50 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 臨界點(diǎn)蝕溫度

316L和2205在淡化海水循環(huán)水中的臨界點(diǎn)蝕溫度曲線如圖1所示。在淡化海水循環(huán)水中，316L的臨界點(diǎn)蝕溫度約為42.7 ℃，而工況狀態(tài)下循環(huán)水的溫度為50 ℃。用316L制造的換熱設(shè)備會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕事故，不適合使用。在淡化海水循環(huán)水中加入水處理劑后，316L的臨界點(diǎn)蝕溫度升高至70.2 ℃，說(shuō)明藥劑對(duì)316L有緩蝕作用，此時(shí)316L可以用于制造換熱設(shè)備。

圖1 316L和2205在淡化海水中的臨界點(diǎn)蝕溫度曲線

從圖1可以看出，無(wú)論是否加入藥劑，2205的臨界點(diǎn)蝕溫度均大于85 ℃，其耐點(diǎn)蝕性能明顯優(yōu)于316L。加入藥劑后，2205在相同溫度下的腐蝕電流更低，說(shuō)明藥劑對(duì)2205也具有一定的緩蝕作用。

2.2 點(diǎn)蝕特征電位

為進(jìn)一步研究?jī)煞N不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能，分別測(cè)量316L和2205的循環(huán)伏安曲線，如圖2所示。由循環(huán)伏安曲線得到316L和2205的點(diǎn)蝕特征電位，見(jiàn)表4。

圖2 316L和2205在淡化海水中的循環(huán)伏安曲線

表4 316L和2205在淡化海水中的點(diǎn)蝕特征電位

從表4可以看出，在淡化海水循環(huán)水中，2205的擊穿電位Eb遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于316L，且2205的保護(hù)電位Epr與擊穿電位Eb差值很小。在循環(huán)伏安曲線中，Eb表征鈍化膜穩(wěn)定性；不銹鋼腐蝕電位高于Eb時(shí)，鈍化膜開(kāi)始發(fā)生破壞，發(fā)生點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕保護(hù)電位Epr表征鈍化膜修復(fù)能力，腐蝕電位低于Epr時(shí)鈍化膜自我修復(fù)，完成再鈍化，點(diǎn)蝕停止發(fā)展。當(dāng)不銹鋼腐蝕電位在Epr和Eb之間時(shí)，已有點(diǎn)蝕繼續(xù)增長(zhǎng)，但不會(huì)有新的點(diǎn)蝕發(fā)生。因此，2205比316L更難發(fā)生點(diǎn)蝕，即使某種條件下發(fā)生了點(diǎn)蝕，也很容易通過(guò)再鈍化使點(diǎn)蝕停止發(fā)展。

從表4還可以看出，加入水處理藥劑后，2205和316L 的點(diǎn)蝕特征電位變化都不大，但循環(huán)伏安曲線滯后環(huán)的面積有所減小。這說(shuō)明水處理藥劑使兩種不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能有一定提高，具有一定的緩蝕作用。

2.3 縫隙腐蝕電位

縫隙腐蝕性能也是不銹鋼耐蝕性指標(biāo)之一。根據(jù)GB/T 13671—1992 《不銹鋼縫隙腐蝕電化學(xué)試驗(yàn)方法》，無(wú)藥劑和加入水處理藥劑后316L在淡化海水循環(huán)水中的耐縫隙腐蝕電位分別為0.15，0.35 V，無(wú)藥劑和有藥劑時(shí)2205在淡化海水循環(huán)水中的耐縫隙腐蝕電位都大于0.80 V。由此可知，316L的縫隙腐蝕電位較低，加入藥劑后縫隙腐蝕電位有明顯提高，再次證明藥劑對(duì)316L具有緩蝕作用。與316L相比，不管是否加入藥劑，2205縫隙腐蝕電位均明顯高于316L，說(shuō)明2205的耐縫隙腐蝕性能也明顯優(yōu)于316L。

2.4 應(yīng)力腐蝕性能

圖3是316L和2205的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，在三種不同的試驗(yàn)介質(zhì)中，同種不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀基本一致。與惰性介質(zhì)的甘油相比，同種不銹鋼在腐蝕性介質(zhì)中的抗拉強(qiáng)度幾乎不變，斷裂應(yīng)變變化也不明顯，說(shuō)明316L和2205在淡化海水介質(zhì)中應(yīng)力腐蝕敏感性不大。

圖3 不銹鋼在不同試驗(yàn)介質(zhì)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

觀察兩種不銹鋼在淡化海水中的拉伸斷口，見(jiàn)圖4和圖5。兩種不銹鋼試樣有明顯徑縮，斷面以韌窩為主，呈典型的韌性斷裂特征，再次證明兩種不銹鋼在淡化海水中的應(yīng)力腐蝕敏感性非常低。

圖4 316L拉伸斷口SEM形貌

圖5 2205拉伸斷口SEM形貌

為進(jìn)一步表征316L和2205在不同腐蝕介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕性能，通過(guò)延伸率δ和斷面收縮率ψ計(jì)算其應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)F（δ）和F（ψ），見(jiàn)表5。從表5看出，兩種材料在無(wú)藥劑淡化海水和加藥劑淡化海水中應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)都很小，均小于20，屬于高應(yīng)力腐蝕抗力[10]。

表5 不銹鋼在不同腐蝕介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)

應(yīng)力-應(yīng)變曲線、斷口形貌和應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)均表明，無(wú)論是否加入水處理藥劑，316L和2205在海水淡化體系中均具有良好耐應(yīng)力腐蝕性能。

3 討論

從試驗(yàn)結(jié)果看出，在淡化海水體系中，2205耐腐蝕性能明顯優(yōu)于316L，這與兩種材料的成分差異有關(guān)。在不銹鋼的合金元素中，Cr，Mo，N都能夠提高其耐腐蝕性能。在不銹鋼中，一定含量的Cr能夠在不銹鋼表面形成一層富Cr的鈍化膜，這層膜使不銹鋼在很多環(huán)境中具有較正的電位和很低的腐蝕率，使不銹鋼具有鈍化能力[11]。在Cr的協(xié)同作用下，Mo能夠進(jìn)一步提高不銹鋼的鈍化性能，從而提高不銹鋼的耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能，這種作用在淡化海水等含氯化物環(huán)境中更加明顯[10]。N也能夠提高不銹鋼耐蝕性，在不銹鋼局部發(fā)生點(diǎn)蝕時(shí)，N可以形成NH4+或NO3-，吸收點(diǎn)蝕孔中產(chǎn)生的H+，抑制不銹鋼點(diǎn)蝕的自催化作用[12]，從而提高不銹鋼的耐蝕性。

在不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能的比較中，經(jīng)常用耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PRE評(píng)估不銹鋼在海水中的耐蝕性[13]。奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)蝕當(dāng)量=wCr+3.3wMo+30wN；鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼耐點(diǎn)蝕當(dāng)量=wCr+3.3wMo+16wN。不銹鋼的PRE值越大，其在海水環(huán)境中的耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能越好。有研究表明，在海水中，PRE小于25的鑄造不銹鋼在海水中有嚴(yán)重的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，PRE大于35的不銹鋼表現(xiàn)了良好的耐蝕性[13]。

根據(jù)表1計(jì)算試驗(yàn)用316L和2205的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量，316L的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量為25.5，2205為33.64。從計(jì)算結(jié)果看，2205的PRE雖然明顯大于316L，但仍小于35，因此，兩種不銹鋼均不適合直接應(yīng)用在Cl-含量較高的海水中。與海水相比，淡化海水的Cl-濃度顯著降低，而Cl-濃度對(duì)不銹鋼腐蝕性能有顯著影響[14—15]。有研究表明，當(dāng)溶液中Cl-質(zhì)量濃度從21 240 mg/L降為300 mg/L時(shí)，316L不銹鋼的臨界點(diǎn)蝕溫度從28 ℃升為95 ℃[14]，耐腐蝕性能大幅度提升。因此，在淡化海水中，316L和2205具有比海水中更好的耐點(diǎn)蝕性能，其中2205可以直接在淡化海水中使用。在加入具有緩蝕作用水處理藥劑后，耐腐蝕性相對(duì)較差的316L也可以使用。

兩種材料微觀組織結(jié)構(gòu)不同也是導(dǎo)致其耐蝕性差異的一個(gè)重要原因。316L是典型的奧氏體不銹鋼，而2205是雙相不銹鋼。雙相不銹鋼中鐵素體和奧氏體兩相都具有一定的含量，兩種組織晶粒相互包圍，其中某一相的薄弱區(qū)域發(fā)生腐蝕時(shí)也不會(huì)連接形成網(wǎng)絡(luò)，第二相的存在對(duì)裂紋的擴(kuò)展具有一定的抑制作用。相對(duì)于更容易發(fā)生局部腐蝕的奧氏體組織，鐵素體電位更低，在一定程度上也可以起到犧牲陽(yáng)極的作用。因此，2205比316L具有更好的耐腐蝕性能。

4 結(jié)論

1）在淡化海水循環(huán)水中，316L具有良好的耐應(yīng)力腐蝕性能，但會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕，不適合直接應(yīng)用。

2）加入水處理劑后，316L的耐點(diǎn)蝕性能和耐縫隙腐蝕性能顯著提高，可在淡化海水循環(huán)水中使用。

3）2205不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能和耐縫隙腐蝕性能均明顯優(yōu)于316L，并具有高應(yīng)力腐蝕抗力，無(wú)論是否加入水處理劑都可以在淡化海水循環(huán)水使用。

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Corrosion Resistance of Stainless Steel in Desalinated Seawater

LI Chao1,2, WU Heng1,2, ZHANG Bo1,2, GAI De-sheng1,2
(1.Qingdao NCS Testing & Corrosion Protection Technology Co., Ltd., Qingdao 266071, China 2.Qingdao Research Institute four Marine Corrosion, Central Institute for Iron and Steel, Qingdao 266071, China)

ObjectiveTo study the corrosion resistance of 316L and 2205 stainless steel in desalinated seawater and explore influences of water treatment agentia on corrosion resistance of stainless steel.MethodsElectrochemical test, slow strain rate tensile test, SEM, etc. were adopted.ResultsThe critical pitting temperature of 316L in desalinated seawater was 42.7 ℃. It was 70.2 ℃ after agentia was added; the critical pitting temperature of 2205 was higher than 85 ℃. The crevice corrosion resistance property of 2205 was better than 316L. The agentia also had corrosion inhibition effect on 2205. Both 316L and 2205 had high stress corrosion resistance in desalinated seawater at 50℃.Conclusion316L is not suitable to be used in desalinated seawater directly, but is suitable to be used in desalinated seawater with agentia; 2205 is suitable to be used in desalinated seawater.

desalinated seawater; stainless steel; pitting; crevice corrosion; stress corrosion

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.013

TJ04；TG172.5

A

1672-9242(2017)02-0067-05

2016-11-12；

2016-12-04

李超（1983—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧细g與防護(hù)。