典型不銹鋼在淡化海水中的耐腐蝕性能研究

李超，吳恒，張波，蓋德勝

（1.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，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.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，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不銹鋼耐蝕性的影響。方法采用電化學試驗、慢應變速率拉伸試驗、掃描電鏡等方法。結果在淡化海水中，316L臨界點蝕溫度為42.7 ℃，加入藥劑后為70.2 ℃；2205的臨界點蝕溫度大于85 ℃。2205耐縫隙腐蝕性能明顯好于316L，藥劑對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力腐蝕抗力。結論316L不適合直接在淡化海水中應用，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用。

淡化海水；不銹鋼；點蝕；縫隙腐蝕；應力腐蝕

近年來，淡水資源日益緊缺，淡化海水在濱海地區工業領域的應用比例逐漸增大[1]，循環冷卻水是淡化海水重要的工業用途之一。因海水淡化技術不同，生產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、高電導率和高Cl-濃度等特點[2]，腐蝕性很強。有研究表明，常溫下淡化海水對碳鋼的腐蝕性甚至超過海水[3—4]。在工況條件下，淡化海水循環冷卻水的溫度通常在50 ℃左右，最高不超過70 ℃。在循環冷卻過程中，淡化海水中離子濃度最高濃縮到3～4倍，腐蝕性更強。因此，使用淡化海水作循環冷卻水后，很多碳鋼換熱設備發生了嚴重的腐蝕問題。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偏差，仍會發生各種腐蝕事故。因此，使用耐蝕性更好的材料才是解決問題的最佳途徑。

不銹鋼具有良好導熱性能和耐蝕性，廣泛應用于淡水換熱器，部分牌號在海水環境中也有成功的應用[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象，通過電化學、慢應變速率拉伸試驗等方法研究不銹鋼在淡化海水循環水中的耐蝕性，并研究水處理藥劑對不銹鋼耐蝕性的影響，為使用淡化海水冷卻設備的選材提供試驗數據支持。

1 試驗方法

試驗材料分別為316L和2205不銹鋼，其化學成分見表1，試驗介質為天津某工廠使用的淡化海水循環冷卻水，其主要水質參數見表2，水處理劑添加要求見表3。

表1 試驗材料合金元素成分 %

表2 試驗介質主要水質參數（25 ℃）

表3 水處理藥劑添加要求

電化學試驗均由EG&G 2273電化學工作站完成，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試樣焊接銅導線后用環氧樹脂封固形成。試驗表面用水砂紙逐級打磨至1000#，依次用丙酮和去離子水清洗，用吹風機吹干，干燥24 h后待用。

臨界點蝕溫度試驗起始溫度為15 ℃，開路電位穩定10 min后開始加熱，保持試驗溶液升溫速度在（1±0.3）/min℃，同時對工作電極進行700 mV陽極極化（文中電位均為相對于飽和甘汞電極電位）。當腐蝕電流密度持續上升至100 μA/cm2，并持續增長1 min后停止試驗。腐蝕電流密度為100 μA/cm2時的溫度為材料的臨界點蝕溫度。

點蝕特征電位通過循環伏安曲線測得，工作電極開路電位穩定后，以2 mV/s的速度從開路電位正向掃描，316L掃描900 mV后回掃至原開路電位，2205掃描2000 mV后回掃至原開路電位。縫隙腐蝕再鈍化電位測量主要按照GB/T 13671—92進行，三電極體系恒溫穩定1 h后開始測量縫隙腐蝕再鈍化電位，初始誘發腐蝕電位選擇800 mV。應力腐蝕試驗采用慢應變速率拉伸(SSRT)，試驗設備為LETRY慢拉伸試驗機，拉伸速率為1×10-6/s，試驗介質為淡化海水循環冷卻水，空白對照試驗介質為甘油，試樣為啞鈴型棒狀拉伸試樣。除臨界點蝕溫度試驗外，其他試驗溫度均為50 ℃。

2 試驗結果

2.1 臨界點蝕溫度

316L和2205在淡化海水循環水中的臨界點蝕溫度曲線如圖1所示。在淡化海水循環水中，316L的臨界點蝕溫度約為42.7 ℃，而工況狀態下循環水的溫度為50 ℃。用316L制造的換熱設備會發生點蝕事故，不適合使用。在淡化海水循環水中加入水處理劑后，316L的臨界點蝕溫度升高至70.2 ℃，說明藥劑對316L有緩蝕作用，此時316L可以用于制造換熱設備。

圖1 316L和2205在淡化海水中的臨界點蝕溫度曲線

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

2.2 點蝕特征電位

為進一步研究兩種不銹鋼的耐點蝕性能，分別測量316L和2205的循環伏安曲線，如圖2所示。由循環伏安曲線得到316L和2205的點蝕特征電位，見表4。

圖2 316L和2205在淡化海水中的循環伏安曲線

表4 316L和2205在淡化海水中的點蝕特征電位

從表4可以看出，在淡化海水循環水中，2205的擊穿電位Eb遠遠高于316L，且2205的保護電位Epr與擊穿電位Eb差值很小。在循環伏安曲線中，Eb表征鈍化膜穩定性；不銹鋼腐蝕電位高于Eb時，鈍化膜開始發生破壞，發生點蝕。點蝕保護電位Epr表征鈍化膜修復能力，腐蝕電位低于Epr時鈍化膜自我修復，完成再鈍化，點蝕停止發展。當不銹鋼腐蝕電位在Epr和Eb之間時，已有點蝕繼續增長，但不會有新的點蝕發生。因此，2205比316L更難發生點蝕，即使某種條件下發生了點蝕，也很容易通過再鈍化使點蝕停止發展。

從表4還可以看出，加入水處理藥劑后，2205和316L 的點蝕特征電位變化都不大，但循環伏安曲線滯后環的面積有所減小。這說明水處理藥劑使兩種不銹鋼的耐點蝕性能有一定提高，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之一。根據GB/T 13671—1992 《不銹鋼縫隙腐蝕電化學試驗方法》，無藥劑和加入水處理藥劑后316L在淡化海水循環水中的耐縫隙腐蝕電位分別為0.15，0.35 V，無藥劑和有藥劑時2205在淡化海水循環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，說明2205的耐縫隙腐蝕性能也明顯優于316L。

2.4 應力腐蝕性能

圖3是316L和2205的應力-應變曲線，可以看出，在三種不同的試驗介質中，同種不銹鋼的應力-應變曲線形狀基本一致。與惰性介質的甘油相比，同種不銹鋼在腐蝕性介質中的抗拉強度幾乎不變，斷裂應變變化也不明顯，說明316L和2205在淡化海水介質中應力腐蝕敏感性不大。

圖3 不銹鋼在不同試驗介質中的應力-應變曲線

觀察兩種不銹鋼在淡化海水中的拉伸斷口，見圖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

為進一步表征316L和2205在不同腐蝕介質中的應力腐蝕性能，通過延伸率δ和斷面收縮率ψ計算其應力腐蝕敏感性指數F（δ）和F（ψ），見表5。從表5看出，兩種材料在無藥劑淡化海水和加藥劑淡化海水中應力腐蝕敏感性指數都很小，均小于20，屬于高應力腐蝕抗力[10]。

表5 不銹鋼在不同腐蝕介質中的應力腐蝕敏感性指數

應力-應變曲線、斷口形貌和應力腐蝕敏感性指數均表明，無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力腐蝕性能。

3 討論

從試驗結果看出，在淡化海水體系中，2205耐腐蝕性能明顯優于316L，這與兩種材料的成分差異有關。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的協同作用下，Mo能夠進一步提高不銹鋼的鈍化性能，從而提高不銹鋼的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能，這種作用在淡化海水等含氯化物環境中更加明顯[10]。N也能夠提高不銹鋼耐蝕性，在不銹鋼局部發生點蝕時，N可以形成NH4+或NO3-，吸收點蝕孔中產生的H+，抑制不銹鋼點蝕的自催化作用[12]，從而提高不銹鋼的耐蝕性。

在不銹鋼耐點蝕性能的比較中，經常用耐點蝕當量PRE評估不銹鋼在海水中的耐蝕性[13]。奧氏體不銹鋼耐點蝕當量=wCr+3.3wMo+30wN；鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼耐點蝕當量=wCr+3.3wMo+16wN。不銹鋼的PRE值越大，其在海水環境中的耐點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重的點蝕和縫隙腐蝕，PRE大于35的不銹鋼表現了良好的耐蝕性[13]。

根據表1計算試驗用316L和2205的耐點蝕當量，316L的耐點蝕當量為25.5，2205為33.64。從計算結果看，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-濃度對不銹鋼腐蝕性能有顯著影響[14—15]。有研究表明，當溶液中Cl-質量濃度從21 240 mg/L降為300 mg/L時，316L不銹鋼的臨界點蝕溫度從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，耐腐蝕性相對較差的316L也可以使用。

兩種材料微觀組織結構不同也是導致其耐蝕性差異的一個重要原因。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域發生腐蝕時也不會連接形成網絡，第二相的存在對裂紋的擴展具有一定的抑制作用。相對于更容易發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極的作用。因此，2205比316L具有更好的耐腐蝕性能。

4 結論

1）在淡化海水循環水中，316L具有良好的耐應力腐蝕性能，但會發生點蝕，不適合直接應用。

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

3）2205不銹鋼的耐點蝕性能和耐縫隙腐蝕性能均明顯優于316L，并具有高應力腐蝕抗力，無論是否加入水處理劑都可以在淡化海水循環水使用。

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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，主要研究方向為材料腐蝕與防護。