316/316L換熱管與316/316L管板焊接接頭電化學(xué)腐蝕性能

元 科 ，高 磊 ，張瑩瑩 ，郝國永 ，王洪吉

（1.遼寧石油化工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國石油內(nèi)蒙古銷售公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010015）

0 前言

316L不銹鋼屬于超低碳奧氏體不銹鋼，因其具有優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能和耐腐蝕性能被廣泛應(yīng)用于壓力容器、化肥生產(chǎn)裝置和海洋環(huán)境裝置等眾多工程領(lǐng)域[1-2]。某鋼廠利用316L的鋼錠，采用某種加工工藝生產(chǎn)出來的一種不銹鋼316/316L，耐腐蝕性能和力學(xué)性能得到一定提高。為了把這種新材料應(yīng)用到換熱器中，研究換熱器管板接頭的耐腐蝕性能是非常必要的。

換熱器被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)中[3-4]，換熱器中管子與管板的焊接接頭（簡稱管板焊接接頭）是使用過程中失效最頻繁的地方[5]，腐蝕失效是一種重要的失效形式[6]。通過比較雙牌號材料316/316L的管板焊接接頭與普通316L管板焊接接頭在NaCl溶液中的極化曲線、阻抗譜，對于換熱器選材有重要意義。另外管板焊接接頭采用不同的焊接工藝比較其耐蝕性能，對于提高換熱器使用壽命也有重要意義。

1 焊接試驗

1.1 試驗材料

試驗材料選用不銹鋼316/316L、316L換熱管（無縫鋼管）和316/316L、316L管板（鍛件），其化學(xué)成分 如表1、表2所示，焊絲ER316L化學(xué)成分見表3。

表1 管材的化學(xué)成分 %

表2 管板（鍛件）的化學(xué)成分 %

表3 焊材的化學(xué)成分 %

1.2 組對焊接

采用平縫和角縫兩種接頭形式，如圖1所示。

圖1 接頭形式

選擇管頭氬弧自動焊機，每種材料分別進行平縫和角縫兩種形式的管頭焊接試驗，焊后實物如圖2所示，焊接參數(shù)如表4所示。

圖2 焊后實物

表4 焊接參數(shù)

1.3 試樣

平縫和角縫兩種接頭型式如圖3所示。

圖3 試樣實物

1.4 試驗方法

采用PARSTAT 2273型電化學(xué)工作站，在傳統(tǒng)的三電極體系中測定樣品在3.5%NaCl溶液中的極化曲線和阻抗譜。工作電極為試件，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為石墨。極化曲線的掃描速率為0.5 mV/s；交流阻抗測試的測量信號幅值為10mV，阻抗譜測量掃描頻率范圍為100kHz～10MHz。

2 結(jié)果和討論

2.1 陽極極化曲線測試

雙牌號材料316/316L的管板焊接接頭、316L的管板焊接接頭的平縫和角縫試樣在3.5%NaCl溶液的極化曲線如圖4所示。表5是4種不銹鋼試樣極化曲線的特征參數(shù)，包括腐蝕電位Ecorr、腐蝕電流密度Icorr和極化電阻RP。

圖4 不銹鋼試樣在3.5%NaCl溶液中的極化曲線

表5 不銹鋼試樣在3.5%NaCl溶液中的極化曲線特征值

腐蝕電位（Ecorr）是一個特定的腐蝕體系在沒有外加電流的情況下測得的金屬電位。Ecorr是表示金屬腐蝕傾向的物理量，Ecorr越低說明該金屬越容易被腐蝕；該值越高，說明該金屬不容易被腐蝕[7]。電極的自腐蝕電流密度（Icorr）與腐蝕速度成正比，與極化電阻（RP）成反比，因此Icorr和RP可以反映電極腐蝕速度的快慢[8]。由表5可知，對于腐蝕電位：316/316L平縫＞316/316L角縫＞316L平縫＞316L角縫；對于腐蝕電流密度：316/316L平縫＜316/316L角縫＜316L平縫＜316L角縫；對于極化電阻：316/316L平縫＞316/316L角縫＞316L平縫＞316L角縫。分析可得，316/316L平縫的耐腐蝕性能最好，316/316L角縫、316L平縫次之，316L角縫最差。

2.2 阻抗譜測試

對雙牌號材料316/316L的管板焊接接頭、316L的管板焊接接頭的平縫和角縫做交流阻抗測試，測試溶液為3.5%NaCl溶液。測試結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5中4種試樣的阻抗圖譜均表現(xiàn)為一單容抗弧，表明此時的腐蝕過程屬于活化控制[9]，電荷轉(zhuǎn)移是整個電極過程的控制步驟[10]，電極表面均處于穩(wěn)定的鈍化狀態(tài)[11]。單容抗弧的半徑逐漸減小，表明耐蝕性不斷降低。分析圖5可知，316/316L平縫的耐蝕性最好，316/316L角縫和316L平縫的耐蝕性次之（相當），316L角縫的耐蝕性最差。

圖5 不銹鋼試樣在3.5%NaCl溶液中的Nyquist圖

由圖6可知，相位角均位于第一象限（不考慮高頻相移），表明其呈現(xiàn)容抗特征，而非感抗特征[12]。在低頻區(qū)，316/316L平縫的相位角＞316/316L角縫相位角≈316L平縫相位角＞316L角縫相位角；在高頻區(qū)316/316L平縫的相位角＜316/316L角縫相位角≈316L平縫相位角＜316L角縫相位角。由圖6可知，四種試樣的最大相位角，316/316L平縫的相位角＞316/316L角縫相位角≈316L平縫相角＞316L角縫相位角，則說明316/316L平縫的耐蝕性最好，316/316L角縫和316L平縫的耐蝕性次之（相當），316L角縫的耐蝕性最差[13]。

圖6 不銹鋼試樣在3.5%NaCl溶液中的bode圖

通過電化學(xué)工作站自帶擬合軟件，可以獲得樣品的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct值。當Rct越大時，樣品耐腐蝕性能越好[14]。擬合結(jié)果見表6，316/316L平縫的Rct最大，316/316L角縫和316L平縫的Rct次之（相當），316L角縫的Rct最小，因為當Rct越大時，表明樣品耐腐蝕性能越好，所以316/316L平縫的耐蝕性最好，316/316L角縫和316L平縫的耐蝕性次之（相當），316L角縫的耐蝕性最差。得到與觀察Nyquist圖和Bode圖一樣的結(jié)論。

表6 不銹鋼試樣在3.5%NaCl溶液中的RCT的擬合值 Ω

3 結(jié)論

對于雙牌號材料316/316L的管板焊接接頭和316L的管板焊接接頭的平縫和角縫，用陽極極化曲線和交流阻抗法測試其在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕行為。雖然兩種方法的評定參數(shù)不同，但結(jié)果相同。采用相同的焊接接頭，雙牌號材料316/316L的耐蝕性優(yōu)于316L的耐蝕性能；采用不同的焊接工藝的條件下，同種材料平縫的耐蝕性更好。

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