奧氏體不銹鋼AISI 316L腐蝕試驗研究

王金剛 劉江濤 程珊珊

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

奧氏體不銹鋼AISI 316L腐蝕試驗研究

王金剛1 劉江濤2 程珊珊2

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

在精對苯二甲酸(PTA)生產中，選取干燥機BM302殼體常用材料奧氏體不銹鋼AISI 316L為研究對象，在醋酸環境中，對AISI 316L 受Br-及Cl-作用的電化學極化試驗和電化學阻抗試驗進行腐蝕性試驗研究。試驗結果表明，Br-或Cl-濃度的增加都會導致AISI 316L不銹鋼腐蝕速率增加、擊穿電位降低、腐蝕反應電阻減小，導致其耐腐蝕性能下降，腐蝕加劇。為PTA設備腐蝕的現場監測和設備維護提供參考依據。

奧氏體不銹鋼AISI 316L 極化 交流阻抗

1 概述

含溴醋酸溶液是精對苯二甲酸(PTA)裝置中的主要腐蝕介質，根據現場使用材料情況選取奧氏體不銹鋼316L為實驗材料。利用電位極化曲線掃描法和電化學抗譜法，模擬PTA裝置干燥機殼體腐蝕介質，參考不銹鋼電蝕電位測試方法(GB4334.9-84)[1]和不銹鋼三氯化鐵腐蝕實驗方法(GB4334.7-84)[2]，用KBr溶液作為Br-腐蝕介質，KCl溶液作為Cl-腐蝕介質。

精對苯二甲酸(PTA)在其生產中通常是以醋酸做溶劑，四溴乙烷或氫溴酸為助催化劑，Br-不可避免。PTA裝置在堿洗過程中，堿洗液NaOH含微量的NaCl，會有Cl-沉積在死角、縫隙或焊接缺陷處。此外，Cl-還會來自工藝水或上游冷卻器、冷凝器泄露的循環水中。Br-、Cl-是醋酸設備不銹鋼材料發生腐蝕破壞的主要因素。

表1 316L的化學成分(%)

2 試驗

2.1 試驗材料選取

以現場材料使用為依據，選取奧氏體不銹鋼316L為試驗材料，其化學成分見表1。

由于在實際生產過程中，醋酸濃度變化不會很大，PTA裝置不銹鋼腐蝕中醋酸的影響已經比較清楚，所以不考慮醋酸濃度的變化，而是選用接近現場情況的80%濃度醋酸。

2.2 實驗方案

電化學實驗所用試件為標準試驗電極件。將工作電極制成表面積為1平方厘米的柱體，將導線焊接到薄片一側，然后用環氧樹脂和固化劑(兩者比例為之1:1)將試件和導線固定，干燥箱內在130度左右干燥8小時。鑲嵌時暴露出試樣端面，并保證端面與鑲嵌材料之間沒有縫隙。暴露端面用金相砂紙逐級打磨至 800 號，然后用乙醇丙酮混合溶液清洗去脂，再用去離子水沖洗后干燥待用。

2.2.1 電化學極化試驗

該試驗采用CS310電化學測試系統。電解池為三電極電化學測試體系，它是用鉑電極作為輔助電極；飽和的甘汞電極作為參比電極，恒溫水浴作為測試系統。采用正交試驗設計[3]，將溫度、Br-濃度、Cl-濃度三個因子獨立作用下的四種水平搭配起來進行試驗[4]，試驗因素水平見表2。

表2 正交試驗水平因素表

在80%醋酸環境下，對制取的316L不銹鋼研究電極，按正交方案設計如表2所示。對模擬PTA裝置干燥機殼體現場腐蝕介質進行動電位掃描，得出316L不銹鋼極化曲線，每組試驗進行3次以上，去掉偏差較大或曲線不穩定的曲線，極化曲線如圖1。

圖1

利用CorrTest電化學測量和分析儀器系統，對各組極化曲線極限進行數據擬合分析，擬合出年腐蝕速率v，對每組數據進行平均，計算結果如表3所示。

表3 極化曲線數據表

由實驗結果可以得到，方案1中316L不銹鋼在16組正交試驗中年腐蝕速率最小；方案16中腐蝕情況最嚴重。此時溫度和Cl-濃度均為最高水平，Br-濃度最小，可見Cl-對316L不銹鋼在醋酸溶液中的點蝕有影響。隨溫度的升高，316L不銹鋼的腐蝕速率整體呈上升趨勢，在溫度為90℃條件下，各方案中316L的腐蝕速率顯著升高。

將表3的數據輸入到SPSS數據庫中，設置相應參數，將得到的參數估計值代入線性回歸模型得到試驗條件下316L不銹鋼年腐蝕速率線性回歸方程：

年腐蝕速率=－2.299＋0.035[T]

由模型可知，在此試驗條件下316L不銹鋼腐蝕速率與溫度成正相關，隨著溫度的升高，腐蝕速率線性增加。

根據線性回歸過程，設定各參量的初始值，可得到試驗條件下316L年腐蝕速率的非線性回歸方程：

年腐蝕速率=－1.297＋0.014[T]＋8.6×10-7[Br-]2＋1.05×10-6[Cl-]2＋4.5×10-6[T][Br-]－2.66×10-6[Br-][ Cl-]＋1.68×10-5[T] [Cl-]

由回歸模型分析可知：在該試驗條件下，(1)316L不銹鋼的年腐蝕速率與溫度、Cl-濃度、Br-濃度均為正相關，而且Cl-濃度和Br-濃度比溫度對316L不銹鋼年腐蝕速率影響更顯著；(2)Cl-濃度比Br-濃度對316L不銹鋼年腐蝕速率影響更顯著；(3)溫度、Cl-、Br-均存在一定交互作用，其中Cl-對Br-具有削弱作用；

2.2.2 電化學阻抗試驗

在80%醋酸環境下，對制取的316L不銹鋼研究電極，按正交方案設計表2如所示。選取其中8種不同模擬現場PTA裝置干燥機殼體的腐蝕介質，進行交流阻抗試驗。通過對曲線的篩選分析并剔除異常數據，確定有效的交流阻抗值。

對電解池的等效電路進行分析，得到交流阻抗測試中電解池的基本等效電路如圖2所示。

圖2 等效電路簡化圖

根據以上的分析，利用ZView模擬軟件對316L的阻抗圖譜進行擬合，獲得316L 在選用的8組模擬PTA 裝置干燥機殼體現場腐蝕環境試驗條件下的電阻值，如表4所示。

表4 316L交流阻抗試驗值

由表4中可以看出，在選用的8組316L不銹鋼交流阻抗試驗中，試驗1條件下測得的腐蝕反應電阻Rt最大，即在試驗介質溫度60℃、Br-濃度400ppm、Cl-濃度300ppm條件下，316L的反應電阻最大，該電極腐蝕過程中電荷轉移所遇到的阻力最大，電極最耐腐蝕。試驗6條件下測得的腐蝕反應電阻Rt最小，即在試驗介質溫度90℃、Br-濃度400ppm、Cl-濃度900ppm條件下，316L的反應電阻最小，該電極腐蝕過程中電荷轉移所遇到的阻力最小，電極耐腐蝕性能最差，電極的腐蝕最嚴重。

對表4中的特征電位相關數據輸入到SPSS數據庫中，并進行相關參數設置，對試驗數據進行線性和非線性回歸分析。

316L不銹鋼腐蝕反應電阻和溫度的線性回歸方程為：Rt =31402－194.96[T]。

通過線性方程可以看出在該試驗條件下，溫度與316L不銹鋼腐蝕反應電阻負相關，也就是說隨著溫度的升高Rt線性降低，電極腐蝕過程中電荷遇到的阻力變小，電極耐腐蝕性能下降，電極的腐蝕加重。

進一步通過分析確定擊穿電位非線性模型為三元二項式交互模型，設定初始值b1為30000，b2初始值為-200，其它參量初始值為0。得到此試驗條件下316L不銹鋼腐蝕反應電阻和各因素的非線性回歸方程：

由非線性回歸模型分析可得：此試驗條件下，(1)介質溫度升高、Br-濃度或Cl-濃度增加都會引起腐蝕反應電阻的下降，電極腐蝕過程中電荷轉移所遇到的阻力變小，電極耐腐蝕性能下降，電極腐蝕加重；(2)溫度與腐蝕反應電阻為線性模型，而Br-濃度和Cl-濃度為二項式關系，可見PTA裝置中，Br-濃度和Cl-濃度相比較溫度對316L不銹鋼腐蝕反應電阻的影響更為顯著，Br-濃度和Cl-濃度的變化對Rt的影響更大；(3)Cl-濃度對316L不銹鋼腐蝕反應電阻的影響更為顯著。因此，三種因素對腐蝕反應電阻的影響由高到低為：Cl-濃度>Br-濃度>溫度；(4)Br-濃度與Cl-濃度存在交互作用，Cl-對Br-具有削弱的作用，因為Cl-較Br-更容易得到電子，當溶液中同時存在兩種離子時，Cl-優先發生聚集從而削弱了Br-的作用。

3 結論

通過試驗，在試驗條件下，可以得到一下結論：

(1) 溫度、Br-濃度及Cl-濃度均為各因素水平的最小值的條件下年腐蝕速率最小，擊穿電位最高，對點蝕的敏感性最低，腐蝕反應電阻Rt最大，電極耐腐蝕性能最好。

(2)溫度和Cl-濃度為最因素水平的最大值，Br-濃度為最低水平時，316L不銹鋼的年腐蝕速率最大，擊穿電位最小，其點蝕敏感性最高，腐蝕反應電阻Rt最小，電極耐腐蝕性能最差，電極的腐蝕最嚴重。

(3)溫度大于80度，316L年腐蝕速率急劇增加，點蝕電位和反應電阻減小幅度比較大。

(4)腐蝕介質溫度升高、Br-濃度或Cl-濃度的增加都會導致316L不銹鋼腐蝕速率的增加、擊穿電位降低、腐蝕反應電阻減小，導致其耐腐蝕性能降低，腐蝕加劇；反之亦然。

(5)三種因素對316L不銹鋼腐蝕的影響由高到低為：Cl-濃度>Br-濃度>介質溫度。

[1] GB4334.9-84, 不銹鋼點蝕電位測量方法[S].

[2] GB4334.7-84, 不銹鋼三氯化鐵腐蝕試驗方法[S].

[3] 謝小慶, 王麗. 因素分析[M]. 北京:中國社會科學出版社, 1989.

[4] 曹承偉. 用正交試驗設計換能器[J]. 應用科技, 1988, 53(2):55-63.

[5] 盧志明, 何正炎, 高增梁. 316L不銹鋼應力腐蝕敏感性指數計算與回歸分析[J]. 浙江工業大學學報. 2007, 35(2):198-201.

Austenitic Stainless Steel AISI 316L Corrosion Test Research

WANG Jin-gang1, LIU Jiang-tao2, CHENG Shan-shan2
(Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

In purified terephthalic acid (PTA) production, selected the drying machine BM302 shell commonly use material austenitic stainless steel AISI 316L as the research object. In the acetic acid environment, for corrosive test research of AISI 316L, through Br-and Cl-the role of electrochemical polarization test and electrochemical impedance test. The test results show that Br-or Cl-will lead to the increasing of the concentration of seawater AISI 316L stainless steel corrosion rate increase, breakdown voltage is reduced, and the corrosion reaction resistance decreases, and lead to its corrosion resistance drop, corrosion intensifies. That will provide reference for PTA equipment corrosion field monitoring and equipment maintenance.

austenitic stainless steel AISI 316L; polarization; AC impedance

TG174.2

A

1008-7818(2014)01-0069-04

王金剛 (1960－) ，男，陜西彬縣人，教授，主要從事過程設備的腐蝕及密封技術的研究。