市政給排水管道的耐蝕設計與優化

李剛

摘要：近年來，隨著城市化建設的發展和進步，市政工程也得到了一定的發展，其中市政給排水管道工程是其重要組成部分，尤其是管道設計是關鍵，城市用水中所含的腐蝕性成分混雜，對于管道的腐蝕嚴重，當前，已經針對普通的腐蝕現象進行了改善，但是仍然存在管道被腐蝕從而縮短其壽命的現象，因此，本文選擇含 Cr 奧氏體不銹鋼作為案例，通過實驗對于其腐蝕性問題進行了分析研究。

關鍵詞：市政給排水管道；耐蝕設計

引言

市政給排水管道工程是市政工程的重要組成部分，給排水管道設計是關乎整個工程發展的關鍵，尤其是管道的耐蝕性是決定管道使用壽命的關鍵所在，即就是說市政給排水管道的耐蝕設計直接關乎著整個管道工程的發展，所以要合理進行管道設計，提升其耐腐蝕性，為此，本文主要以鋼管的晶間腐蝕實驗進行了具體分析。

一、實驗用材的選擇

實驗用材為排水管道用含 Cr 奧氏體不銹鋼實際化學成分（質量分數%）采用電感耦合等離子發射光譜測試，結果為0.11C，0.72Mn，18.2Cr，9.2Ni，3.1Cu，0.41 Nb，余量為Fe。管道用含Cr奧氏體不銹鋼通常的制造工藝流程為熔煉～熱軋～擠壓沖孔～軟化處理～冷拉拔～固溶處理～檢測包裝等，供貨狀態一般都固溶處理態。

二、方法

將實驗用的奧氏體不銹鋼加工成15 mm×15 mm×6 mm試樣，在NABERTHERM馬弗爐中分別對試樣進行固溶處理、固溶+敏化處理以及固溶+穩定化+敏處理。固溶處理制度為1120 0C× 20 min，在固溶處理的基礎上對鋼管進行敏化處理，敏化制度為150 0C×30 min。固溶+穩定化+敏化處理中的穩定化處理制度分別為950，1000，1050和100℃保溫處理2h，之后進行水冷。采用FESEM-60場發射掃描電鏡對不同熱處理態試樣進行掃描電鏡顯微組織觀察；X射線衍射分析采用德國D-8衍射儀進行，掃描角度20°- 90°，掃描速度2 0/min；品間腐蝕試驗按GB/T 4334-2008進行，金相組織置于LEICA倒置金相顯微鏡下觀察；電化學性能測試在IM6e電化學工作站上進行，測定采用三電極體系，被測試樣做工作電極，R金電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，測試標準采用美國的ASTMGS標準，分別測試再活化電流和活化電流值。

三、結果

對實驗用鋼進行固溶處理、固溶+敏化處理，經1120 0C x 20 min固溶處理后，奧氏體基體組織中仍然有顆粒狀的自色析出相分布在品界附近，同時在品內還可以發現少量彌散析出的塊狀或者球狀析出相，結合文獻可知，這些自色的析出相主要為富Nb相，在組織中并未發現有鏈球狀的M23C6（M=Fe，Cr）相存在，Cr和C元素已固溶于奧氏體中，達到了固溶效果；經固溶+敏化處理后的基體組織中的自色析出相的數量明顯增多，但尺寸較固溶狀態減小，且在品界附近產生了球狀析出相聚集現象，這些很可能是敏化處理過程中由過飽和固溶體中析出的M23C6（M=Fe，Cr）相。

分別對經固溶處理、固溶+敏化處理后的實驗用鋼進行草酸電解浸蝕試驗，以評定試樣的品間腐蝕狀態。固溶處理后的實驗用鋼經草酸腐蝕后的品界上沒有出現腐蝕溝或者腐蝕坑，基體組織中呈現出臺階狀形貌；固溶+敏化處理后的實驗用鋼經草酸腐蝕后，大部分品粒都已經被腐蝕溝或者腐蝕坑包圍，試樣已發生了嚴重的品間腐蝕。對比分析可以發現，通常使用的給排水鋼管的高品間腐蝕敏感性不是供貨態的固溶處理工藝不恰當產生的，而應該是供貨態的熱處理工藝不能保證自色的富Nb相充分析出。因此，為了改善給排水管道的抗品間腐蝕能力有必要對供貨態的鋼管追加一道穩定化處理工藝，以使得富Nb相以較大速度析出的同時，保證M23C6（M=Fe，Cr）相不能析出。

圖1為從固溶+不同溫度穩定化處理后的鋼管中萃取的碳化物的X射線衍射圖譜。可看出，固溶處理態的析出相主要為Nb（C，N）相，屬于面心立方結構，這也就證明了在1120 0C x 20 min的固溶處理制度下能夠保證Cr和C元素的充分固溶；當對固溶態試樣進行950 0C穩定化處理后，除了主相Nb（C，N）相外，還出現了一定數量的M}C6（M=Fe，Cr）相，這也就說明950℃穩定化處理后品界上將出現鏈球狀的M23C6（M=Fe，Cr）相；隨穩定化處理溫度的升高，在1000 ℃穩定化處理后的XRD圖譜中并未發現M23C6（M=Fe，Cr）相的衍射峰，而是以Nb（C，N）相和NbC相為主，其中NbC是由于C原子未被N原子取代所致；穩定化溫度升高至1050℃，碳化物衍射峰中只有Nb（C，N）相；繼續升高穩定化溫度至1100 0C，衍射峰中主要含有Nb（C，N）相，還有極微弱的s-Cu相，這可能與穩定化溫度過高有關。由此可以推測，M23C6（M=Fe，Cr）相在1000 ℃及以上穩定化處理后消失，Nb（C，N）相為穩定化處理后的主要析出相。

圖 1 固溶+不同溫度穩定化處理后的碳化物的 XRD 圖譜

對固溶+不同溫度穩定化+敏化處理后的鋼管進行掃描電鏡顯微組織觀察，在穩定化處理溫度為900℃時，品界附近可以清晰地看到斷續分布的鏈球狀M}C6（M=Fe，Cr）析出相，尺寸較大為300 nm左右，尺寸較小的在100 nm以下。結合固溶處理、固溶+敏化處理后的SEM形貌可知，尺寸較大的鏈球狀M23C6（M=Fe，Cr）析出相主要是在穩定化處理過程中形成的，而尺寸較小的鏈球狀M23C6（M=Fe，Cr）析出相是在敏化過程中形成的；穩定化處理溫度上升至1000℃時，尺寸較大的析出相的數量明顯減少，而發現了較多的細小納米級M23C6（M=Fe，Cr）析出相，但是析出相的總體數量有所減小；繼續升高穩定化處理溫度至1050℃時，大顆粒和小顆粒的M23C6（M=Fe，Cr）析出相數量都進一步減少；當穩定化升高至1100℃時，品界上基本看不見M23C6（M=Fe，Cr）析出相的存在。由此可見，隨穩定化溫度的升高，敏化處理后的試樣品界上的M23C6（M=Fe，Cr）析出相逐漸減少，而Nb（C，N）相的析出數量在增加。

圖2為固溶+不同溫度穩定化+敏化后的雙環電化學動電位再活化（（DL-EPR）曲線，每種狀態下的曲線的正向掃描起始電位為-0.41 V，方向掃描的起始電位為0.3 V。評定鋼管的品間腐蝕敏感性有四種判據：再活化峰峰值電流Ir、再活化電量Q、電流比Ir/la、電量比Qr/Qb。根據再活化電流與活化電流的比值來確定各熱處理態下試樣的敏化度，由此來判定試樣的抗品間腐蝕能力。計算得出的固溶+敏化、固溶+950℃穩定化+敏化、固溶+1000 ℃穩定化+敏化、固溶+1050℃穩定化+敏化、固溶+1100 ℃穩定化+敏化的敏化度（Ir/la）分別為0.011，0.114，0.039，0.011和0.004。固溶+950 ℃穩定化+敏化后的敏化度比固溶+敏化后的試樣高出一個數量級，說明此時品間腐蝕傾向加劇。隨穩定化處理溫度的升高，敏化度逐漸下降，說明抗品間腐蝕能力上升，固溶+敏化處理態鋼管的敏化度與固溶+l050 0C穩定化+敏化處理試樣抗品間腐蝕能力相當。

對四種固溶+穩定化+敏化處理后的管道的品間腐蝕敏感性進行草酸電解腐蝕試驗，經固溶+950 ℃穩定化+敏化處理后的鋼管組織中的所有品粒基本都被腐蝕溝包圍；當穩定化溫度繼續升高至l000℃時，這種品粒被腐蝕溝包圍的現象依然存在；經固溶+l050 ℃穩定化+敏化處理后的鋼管組織中的腐蝕溝呈現斷續狀分布，只有部分品粒被腐蝕溝包圍，且品間腐蝕程度與固溶+敏化態試樣接近，這也與雙環電化學動電位再活化（（DL-EPR）曲線中的測試結果保持一致；當穩定化溫度繼續升高至1100℃時，試樣中的大部分品界處都只剩下稀疏的腐蝕溝，呈現出腐蝕坑與臺階狀共存的混合組織，其品間腐蝕程度明顯低于固溶+敏化處理態，這也與雙環電化學動電位再活化（DL-EPR）曲線中的測試結果保持一致。

結束語

綜上所述，M23C6（M=Fe，Cr）相在1000 0C及以上穩定化處理后消失，Nb（C，N）相為組織中的主要析出相；隨穩定化溫度的升高，敏化處理后的試樣品界上的M23C6（M=Fe，Cr）析出相逐漸減少，而Nb（C，N）相的析出數量在增加。隨穩定化處理溫度的升高，鋼管的抗品間腐蝕能力逐漸增強；對固溶態鋼管進行1100℃保溫2h的穩定化處理可以顯著改善鋼管的抗品間腐蝕能力。

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