市政給排水管道的耐蝕設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李剛

摘要：近年來，隨著城市化建設(shè)的發(fā)展和進(jìn)步，市政工程也得到了一定的發(fā)展，其中市政給排水管道工程是其重要組成部分，尤其是管道設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，城市用水中所含的腐蝕性成分混雜，對于管道的腐蝕嚴(yán)重，當(dāng)前，已經(jīng)針對普通的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了改善，但是仍然存在管道被腐蝕從而縮短其壽命的現(xiàn)象，因此，本文選擇含 Cr 奧氏體不銹鋼作為案例，通過實(shí)驗(yàn)對于其腐蝕性問題進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：市政給排水管道；耐蝕設(shè)計(jì)

引言

市政給排水管道工程是市政工程的重要組成部分，給排水管道設(shè)計(jì)是關(guān)乎整個(gè)工程發(fā)展的關(guān)鍵，尤其是管道的耐蝕性是決定管道使用壽命的關(guān)鍵所在，即就是說市政給排水管道的耐蝕設(shè)計(jì)直接關(guān)乎著整個(gè)管道工程的發(fā)展，所以要合理進(jìn)行管道設(shè)計(jì)，提升其耐腐蝕性，為此，本文主要以鋼管的晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了具體分析。

一、實(shí)驗(yàn)用材的選擇

實(shí)驗(yàn)用材為排水管道用含 Cr 奧氏體不銹鋼實(shí)際化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）采用電感耦合等離子發(fā)射光譜測試，結(jié)果為0.11C，0.72Mn，18.2Cr，9.2Ni，3.1Cu，0.41 Nb，余量為Fe。管道用含Cr奧氏體不銹鋼通常的制造工藝流程為熔煉～熱軋～擠壓沖孔～軟化處理～冷拉拔～固溶處理～檢測包裝等，供貨狀態(tài)一般都固溶處理態(tài)。

二、方法

將實(shí)驗(yàn)用的奧氏體不銹鋼加工成15 mm×15 mm×6 mm試樣，在NABERTHERM馬弗爐中分別對試樣進(jìn)行固溶處理、固溶+敏化處理以及固溶+穩(wěn)定化+敏處理。固溶處理制度為1120 0C× 20 min，在固溶處理的基礎(chǔ)上對鋼管進(jìn)行敏化處理，敏化制度為150 0C×30 min。固溶+穩(wěn)定化+敏化處理中的穩(wěn)定化處理制度分別為950，1000，1050和100℃保溫處理2h，之后進(jìn)行水冷。采用FESEM-60場發(fā)射掃描電鏡對不同熱處理態(tài)試樣進(jìn)行掃描電鏡顯微組織觀察；X射線衍射分析采用德國D-8衍射儀進(jìn)行，掃描角度20°- 90°，掃描速度2 0/min；品間腐蝕試驗(yàn)按GB/T 4334-2008進(jìn)行，金相組織置于LEICA倒置金相顯微鏡下觀察；電化學(xué)性能測試在IM6e電化學(xué)工作站上進(jìn)行，測定采用三電極體系，被測試樣做工作電極，R金電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，測試標(biāo)準(zhǔn)采用美國的ASTMGS標(biāo)準(zhǔn)，分別測試再活化電流和活化電流值。

三、結(jié)果

對實(shí)驗(yàn)用鋼進(jìn)行固溶處理、固溶+敏化處理，經(jīng)1120 0C x 20 min固溶處理后，奧氏體基體組織中仍然有顆粒狀的自色析出相分布在品界附近，同時(shí)在品內(nèi)還可以發(fā)現(xiàn)少量彌散析出的塊狀或者球狀析出相，結(jié)合文獻(xiàn)可知，這些自色的析出相主要為富Nb相，在組織中并未發(fā)現(xiàn)有鏈球狀的M23C6（M=Fe，Cr）相存在，Cr和C元素已固溶于奧氏體中，達(dá)到了固溶效果；經(jīng)固溶+敏化處理后的基體組織中的自色析出相的數(shù)量明顯增多，但尺寸較固溶狀態(tài)減小，且在品界附近產(chǎn)生了球狀析出相聚集現(xiàn)象，這些很可能是敏化處理過程中由過飽和固溶體中析出的M23C6（M=Fe，Cr）相。

分別對經(jīng)固溶處理、固溶+敏化處理后的實(shí)驗(yàn)用鋼進(jìn)行草酸電解浸蝕試驗(yàn)，以評定試樣的品間腐蝕狀態(tài)。固溶處理后的實(shí)驗(yàn)用鋼經(jīng)草酸腐蝕后的品界上沒有出現(xiàn)腐蝕溝或者腐蝕坑，基體組織中呈現(xiàn)出臺階狀形貌；固溶+敏化處理后的實(shí)驗(yàn)用鋼經(jīng)草酸腐蝕后，大部分品粒都已經(jīng)被腐蝕溝或者腐蝕坑包圍，試樣已發(fā)生了嚴(yán)重的品間腐蝕。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，通常使用的給排水鋼管的高品間腐蝕敏感性不是供貨態(tài)的固溶處理工藝不恰當(dāng)產(chǎn)生的，而應(yīng)該是供貨態(tài)的熱處理工藝不能保證自色的富Nb相充分析出。因此，為了改善給排水管道的抗品間腐蝕能力有必要對供貨態(tài)的鋼管追加一道穩(wěn)定化處理工藝，以使得富Nb相以較大速度析出的同時(shí)，保證M23C6（M=Fe，Cr）相不能析出。

圖1為從固溶+不同溫度穩(wěn)定化處理后的鋼管中萃取的碳化物的X射線衍射圖譜?？煽闯觯倘芴幚響B(tài)的析出相主要為Nb（C，N）相，屬于面心立方結(jié)構(gòu)，這也就證明了在1120 0C x 20 min的固溶處理制度下能夠保證Cr和C元素的充分固溶；當(dāng)對固溶態(tài)試樣進(jìn)行950 0C穩(wěn)定化處理后，除了主相Nb（C，N）相外，還出現(xiàn)了一定數(shù)量的M}C6（M=Fe，Cr）相，這也就說明950℃穩(wěn)定化處理后品界上將出現(xiàn)鏈球狀的M23C6（M=Fe，Cr）相；隨穩(wěn)定化處理溫度的升高，在1000 ℃穩(wěn)定化處理后的XRD圖譜中并未發(fā)現(xiàn)M23C6（M=Fe，Cr）相的衍射峰，而是以Nb（C，N）相和NbC相為主，其中NbC是由于C原子未被N原子取代所致；穩(wěn)定化溫度升高至1050℃，碳化物衍射峰中只有Nb（C，N）相；繼續(xù)升高穩(wěn)定化溫度至1100 0C，衍射峰中主要含有Nb（C，N）相，還有極微弱的s-Cu相，這可能與穩(wěn)定化溫度過高有關(guān)。由此可以推測，M23C6（M=Fe，Cr）相在1000 ℃及以上穩(wěn)定化處理后消失，Nb（C，N）相為穩(wěn)定化處理后的主要析出相。

圖 1 固溶+不同溫度穩(wěn)定化處理后的碳化物的 XRD 圖譜

對固溶+不同溫度穩(wěn)定化+敏化處理后的鋼管進(jìn)行掃描電鏡顯微組織觀察，在穩(wěn)定化處理溫度為900℃時(shí)，品界附近可以清晰地看到斷續(xù)分布的鏈球狀M}C6（M=Fe，Cr）析出相，尺寸較大為300 nm左右，尺寸較小的在100 nm以下。結(jié)合固溶處理、固溶+敏化處理后的SEM形貌可知，尺寸較大的鏈球狀M23C6（M=Fe，Cr）析出相主要是在穩(wěn)定化處理過程中形成的，而尺寸較小的鏈球狀M23C6（M=Fe，Cr）析出相是在敏化過程中形成的；穩(wěn)定化處理溫度上升至1000℃時(shí)，尺寸較大的析出相的數(shù)量明顯減少，而發(fā)現(xiàn)了較多的細(xì)小納米級M23C6（M=Fe，Cr）析出相，但是析出相的總體數(shù)量有所減小；繼續(xù)升高穩(wěn)定化處理溫度至1050℃時(shí)，大顆粒和小顆粒的M23C6（M=Fe，Cr）析出相數(shù)量都進(jìn)一步減少；當(dāng)穩(wěn)定化升高至1100℃時(shí)，品界上基本看不見M23C6（M=Fe，Cr）析出相的存在。由此可見，隨穩(wěn)定化溫度的升高，敏化處理后的試樣品界上的M23C6（M=Fe，Cr）析出相逐漸減少，而Nb（C，N）相的析出數(shù)量在增加。

圖2為固溶+不同溫度穩(wěn)定化+敏化后的雙環(huán)電化學(xué)動(dòng)電位再活化（（DL-EPR）曲線，每種狀態(tài)下的曲線的正向掃描起始電位為-0.41 V，方向掃描的起始電位為0.3 V。評定鋼管的品間腐蝕敏感性有四種判據(jù)：再活化峰峰值電流Ir、再活化電量Q、電流比Ir/la、電量比Qr/Qb。根據(jù)再活化電流與活化電流的比值來確定各熱處理態(tài)下試樣的敏化度，由此來判定試樣的抗品間腐蝕能力。計(jì)算得出的固溶+敏化、固溶+950℃穩(wěn)定化+敏化、固溶+1000 ℃穩(wěn)定化+敏化、固溶+1050℃穩(wěn)定化+敏化、固溶+1100 ℃穩(wěn)定化+敏化的敏化度（Ir/la）分別為0.011，0.114，0.039，0.011和0.004。固溶+950 ℃穩(wěn)定化+敏化后的敏化度比固溶+敏化后的試樣高出一個(gè)數(shù)量級，說明此時(shí)品間腐蝕傾向加劇。隨穩(wěn)定化處理溫度的升高，敏化度逐漸下降，說明抗品間腐蝕能力上升，固溶+敏化處理態(tài)鋼管的敏化度與固溶+l050 0C穩(wěn)定化+敏化處理試樣抗品間腐蝕能力相當(dāng)。

對四種固溶+穩(wěn)定化+敏化處理后的管道的品間腐蝕敏感性進(jìn)行草酸電解腐蝕試驗(yàn)，經(jīng)固溶+950 ℃穩(wěn)定化+敏化處理后的鋼管組織中的所有品?；径急桓g溝包圍；當(dāng)穩(wěn)定化溫度繼續(xù)升高至l000℃時(shí)，這種品粒被腐蝕溝包圍的現(xiàn)象依然存在；經(jīng)固溶+l050 ℃穩(wěn)定化+敏化處理后的鋼管組織中的腐蝕溝呈現(xiàn)斷續(xù)狀分布，只有部分品粒被腐蝕溝包圍，且品間腐蝕程度與固溶+敏化態(tài)試樣接近，這也與雙環(huán)電化學(xué)動(dòng)電位再活化（（DL-EPR）曲線中的測試結(jié)果保持一致；當(dāng)穩(wěn)定化溫度繼續(xù)升高至1100℃時(shí)，試樣中的大部分品界處都只剩下稀疏的腐蝕溝，呈現(xiàn)出腐蝕坑與臺階狀共存的混合組織，其品間腐蝕程度明顯低于固溶+敏化處理態(tài)，這也與雙環(huán)電化學(xué)動(dòng)電位再活化（DL-EPR）曲線中的測試結(jié)果保持一致。

結(jié)束語

綜上所述，M23C6（M=Fe，Cr）相在1000 0C及以上穩(wěn)定化處理后消失，Nb（C，N）相為組織中的主要析出相；隨穩(wěn)定化溫度的升高，敏化處理后的試樣品界上的M23C6（M=Fe，Cr）析出相逐漸減少，而Nb（C，N）相的析出數(shù)量在增加。隨穩(wěn)定化處理溫度的升高，鋼管的抗品間腐蝕能力逐漸增強(qiáng)；對固溶態(tài)鋼管進(jìn)行1100℃保溫2h的穩(wěn)定化處理可以顯著改善鋼管的抗品間腐蝕能力。

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