耐蝕合金臨界點蝕溫度標準試驗方法比較

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(1. 合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031； 2. 合肥通用機械研究院 特種設備檢驗站有限公司，合肥 230031；3. 國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，合肥 230031)

臨界點蝕溫度(CPT)是指在特定的測試環(huán)境中金屬材料表面發(fā)生穩(wěn)態(tài)點蝕萌生和發(fā)展時的最低溫度。當環(huán)境溫度低于CPT時，金屬材料只會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)點蝕，并會發(fā)生鈍化；當環(huán)境溫度高于CPT時，亞穩(wěn)態(tài)點蝕會發(fā)展成穩(wěn)態(tài)點蝕[1]。測試CPT的方法有多種，如失重法[2-3]、恒電位法[3-10]、動電位法[9]、電化學噪聲法[10-11]、電化學阻抗譜法[10]等。其中失重法、動電位法和恒電位法經(jīng)過多年的研究應用，形成了標準方法[12-14]。這三種標準試驗方法雖能夠穩(wěn)定客觀地測試金屬材料的耐點蝕性能，給工程應用提供可靠依據(jù)，但就這三種方法的特點及適用條件少有文獻進行系統(tǒng)地報道。本工作以S22053雙相不銹鋼為研究對象，對比分析了三種標準CPT試驗方法的特點及適應性，著重探討了不同試驗方法對材料CPT測定的影響，為工程人員科學合理地選擇測定方法提供依據(jù)。

1 試驗

試驗材料為S22053鋼，是一種雙相不銹鋼，其化學成分如表1所示。失重法試驗采用30 mm×20 mm×3 mm塊狀試樣，試樣在丙酮溶液中進行超聲波清洗除油后吹干。恒電位法和動電位法試驗采用的試樣尺寸為φ14 mm×6 mm，用不同號砂紙(至1 000號)逐級打磨試樣，然后浸入丙酮溶液中清洗，吹干后放入干燥皿中備用。試驗前，將試樣放入特制的小容器中，容器外部為聚四氟乙烯，內(nèi)部有金屬導電，一端面開有φ11.29 mm的圓孔(面積約1 cm2)，保證試樣有1 cm2工作面露出并浸入介質中，試樣背面用螺紋蓋壓緊。

表1 S22053雙相不銹鋼的化學成分(質量分數(shù))Tab. 1 Chemical composition of S22053 duplex stainless steel (mass fraction) %

1.1 失重法測CPT

失重法測CPT時，按照標準ASTM G48-2011(2015)[12]中的方法E進行試驗。試驗溫度分別為50.6，45.6，40.6，35.6℃，試驗介質為6%(質量分數(shù)，下同)FeCl3+1% HCl溶液，試驗時間為24 h。試驗結束后，根據(jù)試樣腐蝕前后質量差計算腐蝕速率。當腐蝕速率不小于0.1 mg/(cm2·d)時，對應的溫度即為CPT。

1.2 恒電位法測CPT

恒電位法測CPT時，按照標準ASTM G150-2013[13]進行試驗。試驗介質為1 mol/L的NaCl溶液，施加700 mV(相對于飽和甘汞電極)恒定電位，將溶液溫度從25 ℃以(1±0.3) ℃/min的速率升溫，測試樣腐蝕電流密度隨溫度變化的關系。待電流密度達到100 μA/cm2并持續(xù)60 s時，對應的溫度即為CPT。

1.3 動電位法測CPT

根據(jù)標準ASTM G150-2013[13]附錄X1和標準GB/T 32550-2016[14]附錄A中給出的點蝕電位和溫度對不銹鋼點蝕的影響原理圖，設置試驗溫度分別為35.0，40.0，43.3，45.0，47.5，50.0，52.5，53.2，54.3，54.6，55.4，56.3，56.6，58.1，59.0，60.0，63.0，65.0 ℃。動電位法測CPT時，根據(jù)標準GB/T 17899-1999[15]進行試驗。在3.5% NaCl溶液中以20 mV/min的掃描速率對試樣進行陽極極化，陽極極化曲線上電流密度為100 μA/cm2時對應的電位為點蝕電位,而點蝕電位發(fā)生突變對應的溫度即為CPT。

2 結果與討論

2.1 失重法

不同溫度下失重法測CPT后S22053鋼試樣的表面形貌如圖1所示。由圖1可見：35.6 ℃下，S22053鋼試樣表面無肉眼可見蝕坑；40.6 ℃下，S22053鋼試樣表面有4處可見蝕坑；45.6 ℃下，S22053鋼試樣表面上有5處可見蝕坑，其中一個蝕坑明顯大于其他蝕坑；50.6℃下，S22053鋼試樣表面有19個蝕坑。

(a) 35.6 ℃(b) 40.6 ℃(c) 45.6 ℃(d) 50.6 ℃圖1 不同溫度下失重法測CPT后S22053鋼試樣的表面形貌Fig. 1 Surface morphology of S22053 steel samples after CPT testing by weight loss method at different temperatures

各溫度下S22053鋼試樣的腐蝕速率如圖2所示。由圖2可知：失重法測得的S22053鋼的CPT為35.6 ℃。

圖2 不同溫度下S22053鋼試樣的腐蝕速率Fig. 2 Corrosion rates of S22053 steel samples at different temperatures

2.2 恒電位法

用恒電位法測得的腐蝕電流密度隨溫度變化的關系如圖3所示。結果表明：電流密度達到100 μA/cm2并持續(xù)60 s時對應的溫度為53.1 ℃，即恒電位法測得的S22053鋼的CPT為53.1 ℃。

圖3 S22053鋼試樣在1 mol/L NaCl溶液中腐蝕電流密度與溫度的關系Fig. 3 Relationship between corrosion current density and temperature for S22053 steel sample in 1 mol/L NaCl solution

2.3 動電位法

不同溫度下S22053鋼試樣在3.5% NaCl溶液中的陽極極化曲線如圖4所示。以各溫度下的點蝕電位即陽極極化曲線上電流密度為100μA/cm2時對應的電位為縱軸，溫度為橫軸作圖，如圖5所示。由圖5可見：點蝕電位在55.0 ℃附近存在突變，則55.0 ℃即為采用動電位法測得的S22053鋼的CPT。

圖5 S22053鋼點蝕電位與溫度的關系Fig. 5 Relationship between pitting potential and temperature for S22053 steel

2.4 分析與討論

對三種標準CPT測定方法進行比較，其試驗過程及試驗參數(shù)均不相同，具體如表2所示。

失重法測CPT需在一個溫度下試驗完后，根據(jù)其腐蝕速率或放大20倍后有無點蝕坑判斷是否進行下一個溫度的試驗，需要的試驗時間較長，溫度梯度最大，但對設備要求低，且操作簡單；恒電位法測CPT中，溫度梯度最小，升溫過程中溶液中也存在溫度梯度，試驗結果容易受溶液溫度梯度和升溫速率的影響，對設備要求較高，試驗周期短，且測得的CPT為一個具體的數(shù)值；動電位法在多個溫度下進行試驗，需要的試樣最多，試驗時間較長，且標準中沒有對溫度的選取進行規(guī)定，多個溫度下測量后得到CPT在一個范圍內(nèi)，要使該范圍進一步縮小，需增加更多的試驗量。

表2 三種標準CPT測定方法的特點Tab. 2 Characteristics of three standard methods of CPT testing

失重法、恒電位法、動電位法測得S22053鋼的CPT分別為35.6，53.1，55 ℃。三種方法所得的CPT不同，其最主要原因為試驗條件及判定發(fā)生點蝕的臨界條件有所不同。失重法測得的CPT最低，動電位法和恒電位法測得的CPT較接近。吳瑋巍等[5]和梁明華等[9]的研究也證實了動電位法和恒電位法所得的CPT較接近。宮少濤等[2]采用失重法測得2205雙相不銹鋼的CPT為38 ℃，與本試驗采用失重法測得的35.6 ℃稍有差別。這是因為兩試驗所采用的材料不同，起始溫度也不同，且前者采用的溫度梯度與標準[12]中規(guī)定的5 ℃不一致。劉叡等[10]采用恒電位法測量2205雙相不銹鋼的CPT為55.7 ℃，鄧博等[1,7]采用恒電位法測得SAF2205的CPT為59.6 ℃。二者與本試驗測試的CPT略有不同，其主要原因是所采用材料的化學成分略有不同。耐點蝕當量(PRE)被用作不銹鋼耐點蝕性能的定量指標[16]，其值主要由材料中Cr、Mo、N三種元素的含量決定。如果材料PRE值不同，所測的CPT也會不同。

三種測試方法所用溶液中Cl-含量由大到小排列依次為：失重法(6% FeCl3+1% HCl)、恒電位法(1 mol/L NaCl)、動電位法(3.5% NaCl)。材料的CPT會隨環(huán)境中Cl-含量的增加而降低[9]，因為Cl-含量越高，材料所處環(huán)境越苛刻，在夾雜物等缺陷附近比較薄弱的鈍化膜越容易被破壞，越易導致點蝕的萌生[1]，也越易達到點蝕發(fā)生的臨界濃度，促進點蝕的發(fā)展，故三種方法測得的CPT隨環(huán)境中Cl-含量降低而升高。

失重法測得的CPT明顯低于另外兩種方法測得的。其主要原因為FeCl3中的Fe3+是一種強氧化劑，與基體金屬反應從而加速腐蝕[3]，加之該溶液含有大量的Cl-，且pH低、酸性強，具有強烈的引發(fā)點蝕的傾向，從而導致了FeCl3溶液中材料的腐蝕速率在較低溫度下就達到較高的狀況。此外，動電位法和恒電位法試樣的有效面積一般只有1 cm2，而失重法試樣全浸入溶液中，其有效面積約15 cm2，有效面積越大，試樣表面存在的夾雜物或缺陷就越多，因此發(fā)生點蝕的概率增大。另外，試樣的邊緣一般更容易遭到腐蝕，因為邊緣凹痕作為犧牲陽極對平整面起到陰極保護的作用，更容易導致點蝕的發(fā)生[17]。故失重法較另外兩種方法苛刻，測得的CPT最低。

此外失重法測材料CPT時，由于其判定條件為腐蝕速率或放大20倍后有無點蝕坑，僅適用于均勻腐蝕不明顯的材料，主要考慮的是穩(wěn)定點蝕長大的行為，由于該試驗方法中溶液環(huán)境較為苛刻，對于單一材料的點蝕形成過程不能準確地描述，通常還需要以點蝕坑特征為輔助評價。

動電位法測定材料的CPT時，是在不同溫度下測試材料的點蝕電位，點蝕電位突變的溫度即為CPT；恒電位法是在恒電位下，不斷升高介質的溫度，當電流密度達到100 μA/cm2并持續(xù)60 s時對應的溫度即為CPT。兩種方法采用的評價參數(shù)分別是形成穩(wěn)態(tài)點蝕時的點蝕電位和溫度，反映了材料點蝕的形成過程，點蝕形成臨界條件被測試出來，故這兩種方法的測量參數(shù)可較準確地反映材料形成穩(wěn)態(tài)點蝕的臨界條件。但動電位法所需試樣數(shù)量和試驗時間都遠多于恒電位法，工程中常追求簡便準確高效的方法解決問題，故恒電位法相對于動電位法更適合于工程應用。

3 結論

(1) 由于試驗條件及判定發(fā)生點蝕的臨界條件有所不同，故采用失重法、恒電位法、動電位法三種CPT測試方法測得的S22053雙相不銹鋼的CPT不同，分別為35.6，53.1，55.0 ℃。

(2) 失重法采用的試驗環(huán)境最苛刻，測得的CPT遠低于恒電位法和動電位法測得的，且測試時間長，對于單一材料的點蝕形成過程不能準確地描述，但該方法對設備要求低，且操作簡單。

(3) 動電位法和恒電位法對設備要求高，尤其是恒電位法，其升溫速率和溶液中的溫度梯度對試驗結果均存在影響，但二者的測量參數(shù)都可較準確地反映材料形成穩(wěn)態(tài)點蝕的臨界條件。且恒電位法還具有試樣數(shù)量少、測試時間短及測得的CPT為一個具體的數(shù)值等優(yōu)點。