基于316L不銹鋼材質的復合濾網腐蝕行為研究

王要偉，楊志鋒，宋泓清，劉峰

（1.中船重工第七二五研究所，河南 洛陽 471023；2.海洋腐蝕與防護科技重點實驗室 中船重工第七二五研究所青島分部，山東 青島 266237）

316L 復合濾網主要用于船舶壓載水系統中的自動反沖洗過濾器，其加工方式是采用316L 多層濾網與316L 骨架網燒結在一起制成的復合濾網，其結構形式見圖1。316L 以其優良的耐腐蝕性能，在船舶應用較為普遍，因此對316L 的耐腐蝕性研究也較為廣泛。張鳴倫等[1]通過極化曲線、交流阻抗和循環伏安曲線研究了316L 在不同Cl-濃度下的腐蝕變化情況；段振剛[2]研究了溶液溫度及溶氧量對316L 不銹鋼腐蝕行為的影響；張銘顯[3-4]研究了316L 奧氏體晶粒組織和晶界等微觀結構對其力學性能和抗腐蝕性的影響；孫兆棟[5]通過對316L 不銹鋼在天然海水中陰極極化規律并研究了采用電化學法控制局部腐蝕等。以上研究只針對316L 塊狀材料本身進行研究，但是針對316L 多層濾網和316L骨架網的腐蝕行為少有提及。因此對316L 多層濾網、316L 骨架網和316L 成品濾網的腐蝕行為進行研究，以期預測濾芯使用壽命并確定維護周期。

圖1 復合濾網截面結構示意圖

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料選用316L 奧氏體不銹鋼，其中多層濾網和復合網通過燒結完成，其原理為真空擴散焊接，即在高度真空狀態下，對放置在真空加熱腔的多層濾網均勻施加壓力，使各層濾網有效接觸，并通過加熱，加快原子的相互擴散，實現各層濾網的擴散連接。根據其結構形式，共分為5 大類試樣，其結構形式見圖2。

圖2 316L 不同結構試樣

其中主濾網、保護網和加強網編織型式相同，目數分別為254、30 和20，結構組成見表1。試樣用砂布打磨，表面無刻痕和麻點，保證表面光潔和無腐蝕，打磨后采用蒸餾水沖凈，再用酒精去油。

表1 316L 濾網不同結構組成形式

1.2 試驗方法

1.2.1 不銹鋼點蝕電位

分別對316L 成品、316L 多層濾網和316L 骨架網進行點蝕電位試驗，試樣大小為100 mm×20 mm，試驗方法依據標準為GB/T 17899—1999《不銹鋼點蝕電位測量方法》，將試驗溶液(青島海域天然海水)加熱至試驗溫度并在恒溫槽保溫，試驗溫度為（30±1）℃。測量前向溶液中通人純氮或純氧（純度不低于 99.99%）進行30 min 的預除氧。試驗過程中保持對溶液連續通氣，通氣速度按每升試驗溶液約 0.5 L·min-1控制。把經過最終打磨試祥的試驗面全浸于溶液中，試樣的試驗面完全浸在溶液液面下約l cm，放置約 10 min 后，從自然電位開始，以電位掃描速度 20 mV·min-1進行陽極極化。

測試設備為2273 電化學綜合測試系統，采用三電極體系，其中參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為Pt 電極，工作電極為不銹鋼濾網試樣。試驗中記錄陽極化曲線上對應電流密度為10 μA·cm-2和100 μA·cm-2的電位中最正點電位值，即為點蝕電位E’b10和E’b100。

1.2.2 不銹鋼點蝕電位

試驗方法依據標準為GB/T 17897—1999《不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》。

用純鹽酸和去離子水配制成0.05 mol·L-1(即稀釋約 245 倍)的鹽酸溶液，將純三氯化鐵（FeCl3·6H2O）100 g 溶于900 mL 0.05 mol·L-1鹽酸溶液中，配制成6%三氯化鐵溶液。

將配制的三氯化鐵溶液倒入試驗容器中，將試驗容器放入恒溫槽中，加熱至（35±1）℃，將試樣放到溶液中的支架上，連續進行浸泡。

點蝕加速試驗采用6 個316L 成品試樣，試樣大小為30 mm×20 mm。試驗前對試樣進行打磨、清洗，保證表面光滑、光亮且無腐蝕。試樣分成2 組，每組3 個，分別進行24 h 和72 h 點蝕加速試驗，試驗前試樣表面形貌見圖3、圖4。試驗結束后，取出試樣按照GB/T16545 中規定的方法，清除試樣上的腐蝕產物，洗凈，干燥后稱重，拍照等。

圖3 316L 成品試樣-骨架面

圖4 316L 成品試樣-濾網面

1.2.3 電偶腐蝕

濾網成品是由同種材料不同結構組合而成，可能存在電偶腐蝕現象，因此對濾網成品試樣進行電偶腐蝕試驗。電偶腐蝕試驗方法依據標準GB/T 15748—2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》,試驗設備為多區電化學綜合測試系統（十六通道）Biologic VMP3。其中參比電極為飽和甘汞電極，多層濾網和骨架網作為偶對，尺寸150 mm×30 mm，每對偶對試樣平行相對，間距30mm，試樣浸入水下部分120 mm×30 mm，露出水上部分用于連接電化學工作站。

根據上述試驗方法的要求，最終確定試驗方案見表2。

2 結果與討論

2.1 點蝕電位

2.1.1 點蝕測試曲線

不銹鋼耐蝕性主要來自表面Cr 氧化形成的鈍化膜，鈍化膜的形成過程影響膜的質量，從而影響其耐腐蝕能力。因此在測試點蝕電位和擊穿電位的同時，需要對鈍化過程進行分析。

表2 試驗方案

圖5-圖7 給出了316L 骨架網、成品和濾網材料的點蝕測試曲線。

圖5 316L 骨架網試樣的點蝕測試曲線

圖6 316L 成品網試樣的點測試曲線

圖7 316L 多層濾網試樣的點蝕測試曲線

從圖中可以看出，316L 骨架網的鈍化區間紅色線區域，θ約為90o，316 成品的鈍化區間紅色線區域，θ約為80o，表明鈍化過程中，隨著電壓增大，腐蝕電流基本不增大或增加幅度小，鈍化效果較好。316L 多層濾網的鈍化區間紅色線區域，θ約為60o～70o，鈍化過程中電流波動較小。

2.1.2 點蝕電位

按照標準GBT 17899—1999《不銹鋼點蝕電位測量方法》中第7 條，從圖 5-圖 7 點蝕電位測量曲線上分別取10 μA·cm-2、100 μA·cm-2對應的電位，確定為點蝕電位，如表4所示。

表3 試樣的點蝕電位值

從表3 可知，擊穿電位排序為：316L 骨架網>316L 成品網>316L 多層濾網，點蝕電位排序為：316L 骨架網>316L 成品>316L 多層濾網。因此可以看出：骨架網的耐點蝕能力較高，其次是成品，最低的316L 多層濾網。

2.2 點蝕加速

取3 組試樣進行24 h 點蝕加速試驗，通過對濾網24 h 加速腐蝕后的形貌照片看，骨架網與濾網均未發現明顯的腐蝕現象及腐蝕產物。

取另外3 組進行72 h 點蝕加速試驗，濾網72 h加速腐蝕后骨架面和濾網面形貌見圖8-圖15。從圖8 中可以看出，3 組平行試樣骨架面表面均出現明顯的點蝕坑，甚至斷裂，對明顯的腐蝕坑和斷裂處進行微觀分析，如圖9-圖11所示，有2 處骨架試樣4、試樣6 完全斷裂，最大尺寸超過2 600 μm（試樣6）。從圖 12 看出，濾網表面均出現腐蝕斷裂，對圖中標記位置進行微觀分析，如圖13-圖15所示，濾網外層均出現斷裂，主濾網也發現斷裂現象。

圖8 點蝕加速72h后形貌-骨架面

圖9 試樣4 骨架面微觀形貌

圖10 試樣5骨架面微觀形貌

圖11 試樣6 骨架面微觀形貌

圖12 點蝕加速72h 后形貌-濾網面

圖13 試樣4濾網面微觀形貌

圖14 試樣5 濾網面微觀形貌

圖15 試樣6濾網面微觀形貌

點蝕加速腐蝕的失重數據如表3所示，從表中可以看出隨著加速時間的延長，濾網材料的失重增加。結合腐蝕形貌分析，試樣中骨架面腐蝕程度相對于濾網面更嚴重。

表4 不銹鋼濾網加速腐蝕失重記錄

2.3 電偶腐蝕

將試樣316L 骨架網（316g）和316L 多層濾網（316l）浸泡到含有天然海水中的試驗裝置，浸泡時間為20 天，分別測量其開路電位、偶合電位和偶合電流，見圖16-圖19。

圖16 試樣316g1-316l1 開路電位變化圖

圖17 試樣316g2-316l2 開路電位變化圖

圖18 試樣316g3-316l3 開路電位變化圖

圖19 電偶對316G-316 偶合電流變化圖

從圖中看出316濾網的開路電位高于316骨架，其偶合電位居于二者之間，表明二者組成電偶對中，316 濾網作為陰極被保護，316 骨架作為陽極加速腐蝕。從圖21 看出偶合電流為正表示電流由316 骨架網流向316 濾網，偶合電流處于0.5～2 μA。

3 結論

通過對316L 不銹鋼濾網材料及成品進行點蝕電位、點蝕加速和電偶試驗，得到以下結論：

1）通過點蝕電位曲線和點蝕電位測量，不同結構耐點蝕能力有強到弱依次為316L 骨架網、316L成品濾網和316L 多層濾網，點蝕電位E’b10分別為190 mV、132 mV 和86 mV。

2）316L 成品濾網作為316L 骨架網和316L 多層濾網的燒結到一起的結構，在點蝕加速試驗和電偶試驗中，316L 骨架作為陽極加速腐蝕，316L 多層濾網面被保護。

3）在實際工程應用中，316L 成品中由于316L骨架作為陽極加速腐蝕，因此其壽命預估不僅要考慮316L 多層濾網腐蝕造成過濾精度失效，同時應該考慮316L 骨架網腐蝕引發強度降低而造成濾芯壓潰。