銅合金在一級反滲透海水中的耐蝕性對比研究

吳恒，董彩常，丁國清，張波

（青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，山東 青島 266071）

在經濟社會快速發展的今天，淡水資源日益匱乏[1]，使用反滲透海水技術獲取淡水是一種重要的技術途徑。淡化后的海水雖然經過脫鹽處理，與淡水相比仍有一定的腐蝕性[2-3]。為了選擇合適的設備管道材質，應對淡化水過流部件材質的耐蝕性進行研究。目前淡化海水對不銹鋼的腐蝕有一定的報道[4-5]，對銅合金的報道較少。

文中選擇典型的銅合金材料（包括B10、TUP 紫銅、鋁青銅），使用反滲透海水淡化設備獲取淡化水。從淡化海水的實際使用工況出發，研究不同溫度、總溶解固體（TDS）、水質硬度對銅合金耐蝕性的影響，通過正交處理的方法，研究不同因素、水平對材料耐蝕性的影響。

1 試驗

1.1 試樣

試驗材料包括B10、TUP 紫銅、鋁青銅，材料的化學成分見表 1。將試驗材料加工成尺寸大小為25 mm×50 mm×(2～3) mm 的試片，用于浸泡試驗，并制作10 mm×10 mm×3 mm 的電化學試樣，每種材料3 個平行樣。試樣均用200#—1000＃水砂紙依次打磨，再用蒸餾水沖洗，最后丙酮清洗，吹干，保存待用。對用于浸泡試驗的試樣，在表面除油清潔后，進行稱量、尺寸測量。

1.2 試驗介質

試驗介質使用自制一級反滲透海水，考察不同溫度、總溶解固體（TDS）、水質硬度對試驗材料耐蝕性的影響。本研究所涉及的材料類別和試驗條件較多，為簡化工作量，并保證實驗效果，采用正交試驗方法對各材料的試驗條件進行設計，既可以減少工作量，又能全面考察各因素對材料腐蝕的影響。由擬進行的水質硬度、實驗溫度、總溶解固體（TDS）得到正交試驗的因素和水平，見表2。

表1 材料的化學成分Tab.1 Chemical composition of materials %

表2 進行正交試驗的因素和水平Tab.2 Factors and levels for orthogonal tests

不考慮因素之間的交互作用對腐蝕的影響，選擇L9(34)正交表，每種材料需進行9 個條件的浸泡及電化學試驗，組合如下：A1B1C1、A2B1C2、A3B1C3、A1B2C2、A2B2C3、A3B2C1、A1B3C3、A2B3C1、A3B2C2。正交試驗后，得到的試驗條件見表3。

表3 試驗水質條件Tab.3 Test water quality conditions

1.3 試驗方法

參考GB/T 16545—1996[6]，浸泡試驗周期為60天，然后清除試樣表面的腐蝕產物，并對試樣進行稱量，計算腐蝕速率。使用金相顯微鏡測量平均點蝕深度，考察點蝕深度和點蝕密度，記錄微觀腐蝕形貌，具體方法參考GB/T 18590—2001[7]。對試驗結果采用正交方法[8]進行分析，考察TDS、總溶解固體、溫度對腐蝕的影響程度。

用Princepton Applied Research Parastat 2273 電化學儀器測試試樣在淡化海水中的極化曲線，動電位（相對自腐蝕電位）的掃描范圍為：-300～+1000 mV，速度為0.5 mV/s。考察比較極化電流和銅合金表面極化電阻 Rp，試驗以飽和甘汞電極作為參比電極（SCE），文中所出現的電位均相對于SCE，輔助電極為鉑電極。

2 結果和討論

2.1 腐蝕形貌分析

本研究考察了3 種銅合金材料在9 種溶液中的耐蝕性，為了便于分析，選取了1#（25 ℃，TDS=300 mg/L，硬度=7 mg/L）、5#（50 ℃，TDS=500 mg/L，硬度=80 mg/L）、9#（70 ℃，TDS=700 mg/L，硬度= 40 mg/L）溶液中的結果進行對比分析。這3 種溶液分別代表不同的溫度、鹽度、硬度，是試驗溶液中的典型代表。

選取了TUP 紫銅、B10 白銅、鋁青銅分別在1#、5#、9#水中浸泡60 天，酸洗前后的腐蝕形貌分別如圖1—3 所示。可以看出，在1#、5#、9#介質浸泡60天后，試樣表面有腐蝕產物覆蓋，發生了全面腐蝕。

圖1 TUP 紫銅在1#、5#、9#水中浸泡60 天酸洗前后的腐蝕形貌Fig.1 Corrosion morphology of TUP copper before and after pickling in 1#, 5#, 9# water for 60 days:a) soak in 1# water for 60 days before pickling; b) soak in 1# water for 60 days after pickling; c) soak in 5# water for 60 days before pickling; d) soak in 5# water for 60 days after pickling; e) soak in 9#water for 60 days before pickling; f) soak in 9# water for 60 days after pickling

圖2 B10 白銅在1#、5#、9#水中浸泡60 天酸洗前后的腐蝕形貌Fig.2 Corrosion morphology of B10 white copper before and after pickling in 1#, 5#, 9# water for 60 days:a) soak in 1# water for 60 days before pickling; b) soak in 1# water for 60 days after pickling; c) soak in 5#water for 60 days before pickling; d) soak in 5# water for 60 days after pickling; e) soak in 9# water for 60 days before pickling; f) soak in 9# water for 60 days after pickling

從圖1 可以看出，TUP 在1#溶液中，表面覆蓋一層均勻的銹層，該物質為Cu2O；在5#溶液中，TUP表面部分區域有黑色物質覆蓋，此時Cu2O 轉化為了CuO；在9#溶液中，試片表面出現了綠色和黑色、暗紅色銹層，這是由于銅合金在較高溫度下腐蝕產物出現了分層，腐蝕產物出現了變化，成分更加復雜。從圖2 可以發現，B10 在1#、5#、9#水中，表面均覆蓋一層不均勻的暗紅色銹層。從圖3 可以看出，鋁青銅在淡水中發生較為嚴重的腐蝕，在1#水中，局部出現了點蝕坑。在5#和9#水中，試片大部分被黑色物質所覆蓋，小部分有白色物質。酸洗后發現，被黑色物質所覆蓋的地方腐蝕較輕，可能原因是黑色物質為銅的氧化物，有保護基體的作用，白色物質為析出的鋁的氧化物。

圖3 鋁青銅在1#、5#、9#水中浸泡60 天酸洗前后的腐蝕形貌Fig.3 Corrosion morphology of aluminum bronze before and after pickling in 1#, 5#, 9# water for 60 days:a) soak in 1# water for 60 days before pickling; b) soak in 1# water for 60 days after pickling; c) soak in 5#water for 60 days before pickling; d) soak in 5# water for 60 days after pickling; e) soak in 9# water for 60 days before pickling; f) soak in 9# water for 60 days after pickling

3 種銅合金在不同水溶液中的微觀腐蝕形貌如圖4 所示，因為表層發生了全面腐蝕而凹凸不平，鋁青銅的點蝕坑口較大，TUP 紫銅和B10 白銅也不同程度地出現了點蝕坑。從表4 點蝕數據可以看出，B10點蝕平均深度最小，點蝕平均深度介于7～13 μm 之間，其次為TUP 紫銅，鋁青銅點蝕深度最大，點蝕平均深度介于9～23 μm 之間。從表4 還可以看出，B10的點蝕因子整體較小，表明B10 銅合金最大點蝕深度偏離平均點蝕深度的數值較小。從點蝕平均深度和點蝕因子來看，3 種銅合金中，B10 銅合金的耐點蝕性能最好。B10 銅合金的點蝕密度為A-2 級，表示點蝕數量少，耐點蝕情況優于TUP、鋁青銅。B10 點蝕平均深度最小，其次為TUP 紫銅，鋁青銅點蝕深度最大。

2.2 質量損失分析

B10、鋁青銅、TUP 在1#—9#介質中的腐蝕速率對比如圖5 所示。可以看出，在不同水質中，B10 的腐蝕速率最低，其次為鋁青銅，TUP 最高。整體來看，銅合金在淡化海水中的腐蝕速率在10-2mm/a 數量級，腐蝕速率較低。

圖4 銅合金在不同水溶液中腐蝕后的金相圖片（酸洗后）Fig.4 Metallographic picture of copper alloy corroded in different aqueous solutions (after pickling)

2.3 電化學試驗

TUP、B10、鋁青銅在典型水質中的極化曲線如圖6 所示。參照相關規定[9]，以電流達到100 μA/cm2所對應的電位為點蝕電位，從圖6a、b 中可以看出，B10 達到100 μA/cm2電流時對應的點蝕電位最大，其次為鋁青銅，TUP 最小。B10 表面的Cu2O 保護膜具有阻止內部金屬進一步被腐蝕的作用。從圖6a 中可以看出，B10 的極化曲線在常溫時有明顯鈍化-活化區，表明B10 在常溫時保護膜起到良好的保護作用。在較高溫度時（如圖6a、b 所示），B10 極化曲線的階躍不再明顯，表明高溫時表面連續成膜能力較低，對基體的保護作用不再明顯[10]。

利用CView-2 軟件擬合了三種銅合金在不同介質中的極化電阻Rp，見表5。通常來說，Rp表示表面極化電阻，其值越大，表示抗極化能力越強，材料耐蝕性越好。從表5 可以看出，B10 銅合金Rp值均很大，表明耐蝕性最好，其次為鋁青銅，TUP 最差。

2.4 溫度、TDS、水質硬度對不銹鋼的腐蝕影響

文中采用正交試驗方法，并結合質量損失率考察不同水質對銅合金耐蝕性的影響。TUP 紫銅的正交試驗結果見表6。可以看出，溫度對TUP 紫銅的耐蝕性影響最明顯，其次為硬度，TDS 影響較小。TUP 紫銅在溫度為25 ℃、TDS=300 mg/L，硬度=40 mg/L 時，腐蝕速率最低，耐蝕性最好。

圖6 TUP、B10、鋁青銅在典型水質中的極化曲線Fig.6 Polarization curves of TUP, B10, and aluminum bronze in typical water

表5 銅合金在9 種不同介質環境中的極化電阻值Tab.5 Polarization resistance values of copper alloys in 9 different dielectric environments Ω·cm2

表6 TUP 紫銅正交試驗結果Tab.6 Orthogonal test results of TUP copper

續表

B10 的正交試驗結果見表7。可以看出，溫度對B10 白銅的耐蝕性影響最明顯，其次為TDS，硬度影響較小。B10 白銅在溫度為25 ℃、TDS=300 mg/L，硬度=80 mg/L 時，腐蝕速率最低，耐蝕性最好。

表7 B10 白銅正交試驗結果Tab.7 Orthogonal test results of B10 white copper

鋁青銅的正交試驗結果見表8。可以看出，溫度對鋁青銅的耐蝕性影響最明顯，其次為TDS，硬度影響較小。鋁青銅在溫度為25 ℃、TDS=300 mg/L，硬度=40 mg/L 時，腐蝕速率最低，耐蝕性最好。

3 種銅合金在溫度為25 ℃、TDS=300 mg/L 介質中，耐蝕性最好。在本正交試驗條件下，溫度對銅合金的耐蝕性影響最大，表明隨著介質溫度的升高耐蝕性降低。

表8 鋁青銅正交試驗結果Tab.8 Orthogonal test results of aluminium bronze

3 結論

1）銅合金在不同條件的淡化海水中的腐蝕速率在0.01 mm/a 數量級。B10 耐蝕性最好，其次為鋁青銅，TUP 相對較差。

2）隨著溫度的升高，B10 極化曲線的階躍不再明顯，表明高溫時表面連續成膜能力降低，對基體的保護作用不再明顯。正交試驗結果表明，與TDS、水質硬度相比，溫度對銅合金的耐蝕性影響最大。