低合金鑄鐵在動海水中的腐蝕研究

夏蘭廷，黃桂橋

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.青島海洋腐蝕研究所，山東青島 266000）

低合金鑄鐵在動海水中的腐蝕研究

夏蘭廷1，黃桂橋2

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.青島海洋腐蝕研究所，山東青島 266000）

主要研究了4種低合金鑄鐵分別在流速為3、7、11m/s動海水中的腐蝕行為。結(jié)果表明：低合金鑄鐵在動海水中的平均腐蝕率明顯大于靜海全浸區(qū)的平均腐蝕率，且隨流速的增加而增大。海水流速在3～11m/s時，低合金鑄鐵的腐蝕形式主要以湍流腐蝕為主。

低合金鑄鐵；動海區(qū)；平均腐蝕率

為利用廣闊的海洋資源，國外早在20世紀(jì)30、40年代就開始研究合金鑄鐵、低碳鋼、不銹鋼,各種鋁合金、鋁鋅合金在海洋中的腐蝕行為。國內(nèi)從20世紀(jì)70年代以后為適應(yīng)沿海工業(yè)的發(fā)展，如石油化工企業(yè)、火電、核電站的建立，海洋石油、礦產(chǎn)的開發(fā)及海洋運(yùn)輸?shù)?，開始了這方面的研究，但主要停留在人工模擬自然海水的試驗(yàn)基礎(chǔ)上[1，2]，系統(tǒng)、全面表現(xiàn)低合金鑄鐵在流動海區(qū)實(shí)海腐蝕數(shù)據(jù)較少，尤其有關(guān)鑄鐵在流動海水中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)目前處于空白。而鑄鐵材料，尤其合金鑄鐵優(yōu)良的鑄造性能和加工性能，使其成為各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜閥門、泵、管道的理想選材。關(guān)于鑄鐵材料在高流速海水中的腐蝕研究，國外在20世紀(jì)50年代就著手研究，而我國起步較晚，且大多從實(shí)驗(yàn)室工作開始。其主要的設(shè)備有旋轉(zhuǎn)實(shí)式高流速動海及空泡試驗(yàn)裝置，室內(nèi)小型對沖試驗(yàn)及小型低速管道試驗(yàn)裝置。本試驗(yàn)主要通過實(shí)海試驗(yàn)全面表現(xiàn)多種常用鑄鐵材料在流動海水條件下的腐蝕性能，并分析其腐蝕機(jī)理，旨在為常用海洋鑄鐵材料的選材和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)用低合金鑄鐵掛片試樣成分見表1。根據(jù)國標(biāo)GB5776—86，試樣被加工成 200mm×100mm×（4～8）mm 薄片，機(jī)加工后的試樣表面粗糙度不大于Ra3.2μm。

表1 低合金鑄鐵的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東青島市小麥島(鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所)全浸區(qū)實(shí)驗(yàn)場內(nèi)。海洋環(huán)境特點(diǎn)為：平均水溫26～32℃；海水平均流速0.1m/s；溶解氧5.6ml/L；鹽度32；pH值8.2；實(shí)驗(yàn)場內(nèi)水質(zhì)干凈、清澈，污染小，透明度為2m～4m；地處正規(guī)半日潮，平均潮差2.7m；海生物種類主要有藤壺、牡蠣、苔蘚蟲、石灰蟲和藻類。

試驗(yàn)裝置為非封閉循環(huán)管道式高流速動海水系統(tǒng)裝置（圖1）。實(shí)驗(yàn)的過程中，始終保證試樣掛片平行于水流方向且垂直于水面。試驗(yàn)周期為366天。

試驗(yàn)結(jié)果的評估參考國標(biāo)GB1766—79和德國標(biāo)準(zhǔn)DIN50—98。

2 結(jié)果與討論

低合金鑄鐵在流動海水中的試驗(yàn)結(jié)果見表2，靜海區(qū)實(shí)海試驗(yàn)結(jié)果見表3。對比表2和3可以看出：4種低合金鑄鐵在各流速段中的平均腐蝕率均遠(yuǎn)大于靜海全浸區(qū)，并且隨流速的增加而增大。鑄鐵在海水中的腐蝕為氧去極化腐蝕，在該過程中，氧以擴(kuò)散的形式通過鐵表面的靜止層到達(dá)鐵表面。該過程是控制環(huán)節(jié)，由公式[3]

表2 低合金鑄鐵在流動海水中的腐蝕率（mm/a）

表3 低合金鑄鐵全浸于靜海水中的腐蝕率（mm/a）

式中i、n、F、D、C和X分別為氧的極限擴(kuò)散電流密度、交換電子數(shù)或金屬離子的價數(shù)、法拉第常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、溶液氧濃度和擴(kuò)散層厚度。在一定條件下，氧的擴(kuò)散電流密度與擴(kuò)散層厚度X成反比，水流速越大，擴(kuò)散層厚度越小，氧的極限擴(kuò)散電流密度越大，腐蝕速度越大。由流體力學(xué)公式計算，在水溫30℃時，該實(shí)驗(yàn)管道各段流速中的雷諾系數(shù)Re?2300，各流速段均為完全湍流區(qū)。鑄鐵基體中的Cr、Cu、A1等元素形成的難溶鹽沉積于內(nèi)銹層，并對致密、牢固的Fe3O4層的形成起促進(jìn)作用。在較低流速下內(nèi)銹層保持較完好，4種材質(zhì)的腐蝕率無本質(zhì)區(qū)別，隨流速增加，對銹層的沖刷作用加強(qiáng)，該銹層部分脫落，化學(xué)-電化學(xué)溶解繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致腐蝕加劇。

從圖2可以看出：海水流速由低流速（3m/s）變化到中流速（7m/s）時，其平均腐蝕率變化特別明顯，以Cu-A1球鐵最為明顯；海水流速由中流速（7m/s）變化到高流速（11m/s）時，其平均腐蝕率的變化幅度相對減小。另外四種鑄鐵材料在整個實(shí)驗(yàn)過程中，平均腐蝕率的變化趨勢基本相同。將四種材質(zhì)綜合比較，由表中數(shù)據(jù)可見，中、高流速時，Cu-Al球鐵腐蝕率最大，Cu-Cr鑄鐵腐蝕率最小，普通灰鐵和Cu-Cr球鐵基本處于同一腐蝕水平。從力學(xué)性能上看，球鐵的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于灰鐵和低合金鑄鐵，但其腐蝕率大于低合金鑄鐵，表明動海腐蝕率與材料硬度有較大關(guān)系[4]。片狀石墨鑄鐵在高流速時的腐蝕率均小于球狀石墨鑄鐵，顯然在動海條件下，鑄鐵材料受到?jīng)_蝕-磨蝕腐蝕。球鐵與灰鐵的結(jié)晶特點(diǎn)不同，球狀石墨具有最小的表面積并孤立存在于基體中，在高流速沖蝕-腐蝕的作用下，極易脫落；而連續(xù)分布的片狀石墨，其在基體上的牢固性大于球狀石墨。石墨一旦脫落，在近似光滑的基體上，其微觀面上表現(xiàn)出極大的不平度，凹凸不平的位置，受到高速溶液的沖刷、磨損，其腐蝕速率加大[4]。由表中數(shù)據(jù)明顯可見：低合金鑄鐵高流速時的腐蝕率大大低于Cu-A1鐵素體球鐵，而且小于Cu-Cr珠光體球鐵。

試驗(yàn)過程中，動海區(qū)試樣掛片垂直于海平面，平行于水流方向，且試驗(yàn)在非封閉循環(huán)管道中進(jìn)行，能保證水流速度的均勻性，其中循環(huán)管道流速v隨管道半徑以切應(yīng)力τ分布示意圖見圖3。

由于試樣掛片較薄，忽略4個小平面上應(yīng)力分布，僅考慮2個大平面上切應(yīng)力τ和正應(yīng)力σ。根據(jù)圖3，試樣掛片2個大平面上切應(yīng)力τ方向平行于水流方向，正應(yīng)力σ方向垂直于水流方向，見圖4。

一方面，海水的流動性，使試樣表面供氧充分，極易在腐蝕初期形成鐵的氫氧化物膜和氧化物膜。根據(jù)微觀切削理論，當(dāng)氧化膜表面的切應(yīng)力τ大于氧化膜臨界附著力時，氧化膜就開始變形、局部剝落。同時隨著流速的逐步增加，試樣表面上的氧濃差極化也逐步減弱。根據(jù)以前的研究[5]，鑄鐵在海水中的腐蝕為氧去極化腐蝕，在動海腐蝕過程中，溶解氧不斷地在金屬表面被還原，為此大氣中的氧就不斷溶于腐蝕介質(zhì)并通過對流和擴(kuò)散向金屬表面遷移。在氧向金屬表面遷移過程中，氧以擴(kuò)散的方式通過金屬表面溶液的滯流層到達(dá)金屬表面這一過程是氧擴(kuò)散過程的控制過程。在氧濃度一定的情況下，氧的極限擴(kuò)散電流密度與擴(kuò)散層厚度成正比，且擴(kuò)散層厚度隨海水流速增加而變??；反過來，擴(kuò)散層的變薄降低了氧的極限擴(kuò)散電流密度，增加了試樣平均腐蝕率。另一方面，流動的海水有助于Cl-擴(kuò)散和對流，從而加劇下列反應(yīng)[6]，

同時，隨著流速的增加，加劇了腐蝕劑（Cl-）的供應(yīng)和腐蝕產(chǎn)物（Fe（n-1）+（OH）n-mClp或Fe（2n-1）+Ox（OH）yClp）的遷移，進(jìn)一步加劇鑄鐵試樣的腐蝕。根據(jù)雷偌數(shù)判據(jù)，Re=υd/γ（其中υ為管道中的溶液流速，d為管道直徑，γ為溶液黏度），計算出30～34℃海水在高流速（11m/s）、中流速（7m/s）和低流速（3m/s）時的平均雷偌數(shù) Re 分別為 6.7×105，5.6×105和 3.37×105，均遠(yuǎn)大于2320，顯然試樣完全處于湍流區(qū)，從而使低合金鑄鐵試樣在大于3m/s流速海水中的腐蝕形式主要以湍流腐蝕為主。

由圖2還可以看出，低合金鑄鐵平均腐蝕率的增加幅度并不是與流速同步增加，而是當(dāng)流速進(jìn)一步增加時，鑄鐵平均腐蝕率的變化率變小，其曲線趨于平穩(wěn)。由表2知，除普通鑄鐵外，其余3鑄鐵材料均含有一定量合金元素Cu、Cr、A1。隨著海水流速的進(jìn)一步增加，腐蝕產(chǎn)物的遷移速率也急劇增加，并隨腐蝕產(chǎn)物的局部剝落，新的腐蝕面也將不斷地析出，使富聚在內(nèi)銹層中的合金元素在供氧充分的環(huán)境中，與 Fe2+、Fe3+生成難熔鹽并沉積于內(nèi)銹層[7]，從而阻礙了氧的進(jìn)一步擴(kuò)散和合金元素的進(jìn)一步析出，明顯降低鑄鐵的平均腐蝕率。所以鑄鐵材料中適量的合金元素能明顯改善鑄鐵的動?？垢g性能。

3 結(jié)論

（1）低合金鑄鐵在動海水中的平均腐蝕率明顯大于靜海全浸區(qū)低合金鑄鐵的平均腐蝕率，且隨流速的增加而增大。

（2）當(dāng)海水流速超過3m/s時，低合金鑄鐵的腐蝕形式主要以湍流腐蝕為主。

（3）鑄鐵材料中適量的合金元素能明顯改善鑄鐵的動?？垢g性能。

[1]夏蘭廷，黃桂橋，張三平.金屬材料的海洋腐蝕與防護(hù)[M].北京：冶金工藝出版社，2003.

[2]黃桂橋.鑄鐵在海水中的腐蝕行為[J].腐蝕與防護(hù)，2001，22（9）：384-386.

[3]張承忠.金屬的腐蝕與防護(hù)[M].北京：冶金工藝出版社，1985：32.

[4]夏蘭廷，韋華，朱宏喜.常用鑄鐵材料海水腐蝕行為的研究[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，2003，23（2）：99-102.

[5]Yun Soo Lin，Joung Soo Kin，Se Jim Ahn，et a1.The influence of microstructure and nitrogen alloying on pitting corrosion of type 316L and 20 Wt.%Mn substituted typed 316L stainless steels[J].Corrosion Science，2001，43，1：53.

[6]夏蘭廷，韋華.自然海水中低合金鑄鐵點(diǎn)蝕化學(xué)-電化學(xué)溶解機(jī)理[J].機(jī)械工程學(xué)報.2002，38（9）：140-144.

[7]Robert S.Brouwn.Anti-corrosion methods and materials[J].Selecting Alloys for Severely Corrosive Service，1999，46：6.

Corrosion Behaviour of Low Alloyed Cast Iron Exposed to Running Seawater

XIA LanTing1，HUANG GuiQiao2
（1.School of Materials and Engineering Taiyuan Science&Technology University，Taiyuan 030024，Shanxi China；2.Qingdao Marine Corrosion Institute，Qingdao 266000,Shandong China）

Corrosion behavior of low-alloyed cast irons exposed to running seawater with running speeds of 3，7，11m/s respectively，has been investigated with discussion about the obtained results which have shown that the average corrosion rates in the running seawater were clearly higher than those in static seawater and its average corrosion rates increased obviously with increase of flow speed.The main type of corrosion of low-alloyed cast irons exposed to the running seawater is turbulent-flow corrosion when the running speed of the seawater is higher than 3m/s.

Low-alloyed cast iron；Running seawater；Average corrosion rate

TG257;

A；

1006－9658（2010）02－3

2009－11－16

2009－153

夏蘭廷（1950,11-），男，太原重型機(jī)械學(xué)院教授，研究方向：鑄造合金及材料腐蝕與防護(hù)