316L和2205不銹鋼腐蝕性能對(duì)比

王 斌，傅 海，孫彥青，郭江濤，魏 帆，朱 燁

（西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司，西安710025）

0 引 言

316L 奧氏體不銹鋼和2205 雙相不銹鋼因其具有較好的耐腐蝕性能，目前在石油天然氣行業(yè)使用較為廣泛，但是兩種材料由于成分和組織的不同，在相同腐蝕環(huán)境下的腐蝕行為還存在一定的差別。本研究針對(duì)兩種不銹鋼的腐蝕特點(diǎn)，對(duì)兩種材料在相同工況下的腐蝕行為進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工況條件及化學(xué)成分

對(duì)比腐蝕試驗(yàn)選用的工況條件見(jiàn)表1，兩種不銹鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 對(duì)比腐蝕試驗(yàn)選用的工況條件

表2 兩種不銹鋼的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

（1）按照GB/T 17897―2016 《金屬和合金的腐蝕不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法》 B 法（6% FeCl3+0.05 mol/L HCl）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間分別5 h、 14.5 h、 24 h。采用指針式刻度盤(pán)深度指示器或聚焦顯微鏡，用于測(cè)定麻點(diǎn)或裂口腐蝕的深度。

（2）按照J(rèn)B/T 7901―2001 《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》 在除氧體系環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn) （具體條件見(jiàn)表1）。分別采用600#、800#、 1200#砂紙將試樣逐級(jí)打磨消除機(jī)加工刀痕，此后清洗、 除油、 冷風(fēng)吹干后測(cè)量尺寸并稱(chēng)重，然后將試樣相互絕緣安裝在特制的試驗(yàn)架上，放入高壓釜內(nèi)介質(zhì)中，試驗(yàn)結(jié)束后將試樣表面用蒸餾水（必要時(shí)可采用除膜液）去除腐蝕產(chǎn)物、 無(wú)水酒精除水烘干后，用BS124S 電子天平稱(chēng)重，并依據(jù)公式（1）計(jì)算其腐蝕速率。

式中：R——腐蝕速率，mm/a；

M——試驗(yàn)前的試樣質(zhì)量，g；

M1——試驗(yàn)后的試樣質(zhì)量，g；

S——試樣總面積，cm2；

T——試驗(yàn)時(shí)間，h；

D——材料密度，kg/m3。

（3）按照GB/T 15970.7 《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第7 部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》 在除氧體系環(huán)境下進(jìn)行慢應(yīng)變速率試驗(yàn)（具體條件見(jiàn)表1）。

2 試驗(yàn)方法和結(jié)果

2.1 點(diǎn)蝕試驗(yàn)

采用2205 和316L 不銹鋼，分別加工相應(yīng)的試樣，滿(mǎn)足總表面積大于10 cm2，按照GB/T 17897―2016 《金屬和合金的腐蝕不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法》 B 法 （6% FeCl3+0.05 mol/L HCl）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間分別為5 h、 14.5 h、24 h，溫度和實(shí)際工況對(duì)應(yīng)提高到60 ℃。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3～表5，點(diǎn)蝕形貌如圖1～圖3 所示。

表3 316L 和2205 不銹鋼浸泡5 h 的點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

表4 316L 和2205 不銹鋼浸泡14.5 h 的點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

表5 316L 和2205 不銹鋼浸泡24 h 的點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖1 316L 和2205 不銹鋼浸泡5 h 后的點(diǎn)蝕形貌

圖2 316L 和2205 不銹鋼浸泡14.5 h 后的點(diǎn)蝕形貌

圖3 316L 和2205 不銹鋼浸泡24 h 后的點(diǎn)蝕形貌

用平均腐蝕速率來(lái)表示不同浸泡時(shí)間的點(diǎn)蝕程度，如圖4 所示，在5～24 h 內(nèi)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其點(diǎn)蝕程度先增加，而后下降，就點(diǎn)蝕程度而言，316L 的耐點(diǎn)蝕性能比2205 不銹鋼差，其點(diǎn)蝕平均速率大約是2205 不銹鋼的5 倍，而在24 h 后則達(dá)到6 倍左右，這表明316L 不銹鋼的平均腐蝕速率雖然在后續(xù)有所下降，但下降的程度不及2205 不銹鋼，這主要是2205 不銹鋼中添加了抗點(diǎn)蝕元素Mo 及N。

圖4 兩種不銹鋼的點(diǎn)蝕速率與時(shí)間的關(guān)系

2.2 浸泡均勻試驗(yàn)

采用與點(diǎn)蝕試驗(yàn)同尺寸的試樣，按照J(rèn)B/T 7901—2001 《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》 標(biāo)準(zhǔn)在除氧體系環(huán)境下進(jìn)行浸泡均勻試驗(yàn) （具體條件見(jiàn)表1），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。316L 和2205 不銹鋼浸泡168 h 后的宏觀形貌如圖5 所示，微觀形貌如圖6 所示。從表6 和圖5 可以看出，2205 和316L 均出現(xiàn)了點(diǎn)蝕，雖然點(diǎn)蝕相對(duì)較少，316L 的點(diǎn)蝕程度稍微重于2205 不銹鋼。

表6 316L 和2205 不銹鋼浸泡168 h 時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

2.3 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

圖5 316L 和2205 不銹鋼浸泡168 h 后的宏觀形貌

對(duì)兩種不銹鋼進(jìn)行相應(yīng)的切割和機(jī)加工，制成115 mm×15 mm×3 mm 試樣，按照GB/T 15970.7 《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》 在除氧體系環(huán)境下進(jìn)行慢應(yīng)變速率試驗(yàn) （具體條件見(jiàn)表1），空氣中的慢拉伸速率為3.5×10-4mm/s，溶液中的慢拉伸速率為1×10-4mm/s。試驗(yàn)步驟為：先通N2除氧1.5 h，同時(shí)升溫到60 ℃，添加H2S 氣體0.01 MPa，通入CO2氣體1.0 MPa，穩(wěn)定后再通入N2實(shí)現(xiàn)總壓20 MPa，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖7 所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，316L 和2205 不銹鋼在此環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕敏感性很低，或者時(shí)間累積效果尚未得到充分的體現(xiàn)。從表7可以看出，空氣環(huán)境下的伸長(zhǎng)率不及溶液環(huán)境中的伸長(zhǎng)率，主要原因是應(yīng)變速率不同造成的，但對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響很小。

表7 316L 和2205 不銹鋼應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖6 2205 和316L 在浸泡168 h 后的微觀形貌

圖7 316L 和2205 不銹鋼應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

（1）5～24 h 點(diǎn)蝕試驗(yàn)中，316L 的平均腐蝕速率約為2205 不銹鋼的5 倍，在24 h 后達(dá)到6 倍，兩者的點(diǎn)蝕速率呈加速態(tài)勢(shì)，316L 不銹鋼的加速大于2205 不銹鋼。

（2）168 h 的均勻腐蝕測(cè)試試驗(yàn)表明，2205不銹鋼的耐腐蝕性能優(yōu)于316L 不銹鋼，且兩類(lèi)不銹鋼均出現(xiàn)了輕微的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，316L 相對(duì)嚴(yán)重一些。

（3）在服役環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)表明，這兩種不銹鋼具有很優(yōu)秀的耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，但是因腐蝕評(píng)價(jià)采用的快速評(píng)價(jià)方法—慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，所以環(huán)境元素被弱化了。

（4）綜合試驗(yàn)結(jié)果表明，316L 和2205 不銹鋼在所選環(huán)境中均存在點(diǎn)蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此從風(fēng)險(xiǎn)控制角度出發(fā)，2205 不銹鋼具有較316L 不銹鋼優(yōu)秀的耐點(diǎn)蝕性能，因而在3 個(gè)試驗(yàn)中均呈現(xiàn)出優(yōu)于316L 的腐蝕性能。盡管在快速應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)中，兩者均呈現(xiàn)出非常優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕性能，但是如果時(shí)間再度增加，一旦點(diǎn)蝕形成，則應(yīng)力腐蝕的敏感性會(huì)增加。