316L和2205不銹鋼腐蝕性能對比

王 斌，傅 海，孫彥青，郭江濤，魏 帆，朱 燁

（西安向陽航天材料股份有限公司，西安710025）

0 引 言

316L 奧氏體不銹鋼和2205 雙相不銹鋼因其具有較好的耐腐蝕性能，目前在石油天然氣行業(yè)使用較為廣泛，但是兩種材料由于成分和組織的不同，在相同腐蝕環(huán)境下的腐蝕行為還存在一定的差別。本研究針對兩種不銹鋼的腐蝕特點，對兩種材料在相同工況下的腐蝕行為進行研究。

1 試驗方案

1.1 工況條件及化學(xué)成分

對比腐蝕試驗選用的工況條件見表1，兩種不銹鋼的化學(xué)成分見表2。

表1 對比腐蝕試驗選用的工況條件

表2 兩種不銹鋼的化學(xué)成分

1.2 試驗項目

（1）按照GB/T 17897―2016 《金屬和合金的腐蝕不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》 B 法（6% FeCl3+0.05 mol/L HCl）進行對比試驗，測試時間分別5 h、 14.5 h、 24 h。采用指針式刻度盤深度指示器或聚焦顯微鏡，用于測定麻點或裂口腐蝕的深度。

（2）按照JB/T 7901―2001 《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》 在除氧體系環(huán)境下進行對比試驗 （具體條件見表1）。分別采用600#、800#、 1200#砂紙將試樣逐級打磨消除機加工刀痕，此后清洗、 除油、 冷風(fēng)吹干后測量尺寸并稱重，然后將試樣相互絕緣安裝在特制的試驗架上，放入高壓釜內(nèi)介質(zhì)中，試驗結(jié)束后將試樣表面用蒸餾水（必要時可采用除膜液）去除腐蝕產(chǎn)物、 無水酒精除水烘干后，用BS124S 電子天平稱重，并依據(jù)公式（1）計算其腐蝕速率。

式中：R——腐蝕速率，mm/a；

M——試驗前的試樣質(zhì)量，g；

M1——試驗后的試樣質(zhì)量，g；

S——試樣總面積，cm2；

T——試驗時間，h；

D——材料密度，kg/m3。

（3）按照GB/T 15970.7 《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗第7 部分：慢應(yīng)變速率試驗》 在除氧體系環(huán)境下進行慢應(yīng)變速率試驗（具體條件見表1）。

2 試驗方法和結(jié)果

2.1 點蝕試驗

采用2205 和316L 不銹鋼，分別加工相應(yīng)的試樣，滿足總表面積大于10 cm2，按照GB/T 17897―2016 《金屬和合金的腐蝕不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》 B 法 （6% FeCl3+0.05 mol/L HCl）進行測試，測試時間分別為5 h、 14.5 h、24 h，溫度和實際工況對應(yīng)提高到60 ℃。試驗結(jié)果見表3～表5，點蝕形貌如圖1～圖3 所示。

表3 316L 和2205 不銹鋼浸泡5 h 的點蝕試驗結(jié)果

表4 316L 和2205 不銹鋼浸泡14.5 h 的點蝕試驗結(jié)果

表5 316L 和2205 不銹鋼浸泡24 h 的點蝕試驗結(jié)果

圖1 316L 和2205 不銹鋼浸泡5 h 后的點蝕形貌

圖2 316L 和2205 不銹鋼浸泡14.5 h 后的點蝕形貌

圖3 316L 和2205 不銹鋼浸泡24 h 后的點蝕形貌

用平均腐蝕速率來表示不同浸泡時間的點蝕程度，如圖4 所示，在5～24 h 內(nèi)，隨著時間的延長，其點蝕程度先增加，而后下降，就點蝕程度而言，316L 的耐點蝕性能比2205 不銹鋼差，其點蝕平均速率大約是2205 不銹鋼的5 倍，而在24 h 后則達到6 倍左右，這表明316L 不銹鋼的平均腐蝕速率雖然在后續(xù)有所下降，但下降的程度不及2205 不銹鋼，這主要是2205 不銹鋼中添加了抗點蝕元素Mo 及N。

圖4 兩種不銹鋼的點蝕速率與時間的關(guān)系

2.2 浸泡均勻試驗

采用與點蝕試驗同尺寸的試樣，按照JB/T 7901—2001 《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》 標準在除氧體系環(huán)境下進行浸泡均勻試驗 （具體條件見表1），試驗結(jié)果見表6。316L 和2205 不銹鋼浸泡168 h 后的宏觀形貌如圖5 所示，微觀形貌如圖6 所示。從表6 和圖5 可以看出，2205 和316L 均出現(xiàn)了點蝕，雖然點蝕相對較少，316L 的點蝕程度稍微重于2205 不銹鋼。

表6 316L 和2205 不銹鋼浸泡168 h 時的試驗結(jié)果

2.3 應(yīng)力腐蝕試驗

圖5 316L 和2205 不銹鋼浸泡168 h 后的宏觀形貌

對兩種不銹鋼進行相應(yīng)的切割和機加工，制成115 mm×15 mm×3 mm 試樣，按照GB/T 15970.7 《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗第7部分：慢應(yīng)變速率試驗》 在除氧體系環(huán)境下進行慢應(yīng)變速率試驗 （具體條件見表1），空氣中的慢拉伸速率為3.5×10-4mm/s，溶液中的慢拉伸速率為1×10-4mm/s。試驗步驟為：先通N2除氧1.5 h，同時升溫到60 ℃，添加H2S 氣體0.01 MPa，通入CO2氣體1.0 MPa，穩(wěn)定后再通入N2實現(xiàn)總壓20 MPa，試驗結(jié)果見表7，應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖7 所示。試驗結(jié)果顯示，316L 和2205 不銹鋼在此環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕敏感性很低，或者時間累積效果尚未得到充分的體現(xiàn)。從表7可以看出，空氣環(huán)境下的伸長率不及溶液環(huán)境中的伸長率，主要原因是應(yīng)變速率不同造成的，但對抗拉強度的影響很小。

表7 316L 和2205 不銹鋼應(yīng)力腐蝕試驗結(jié)果

圖6 2205 和316L 在浸泡168 h 后的微觀形貌

圖7 316L 和2205 不銹鋼應(yīng)力腐蝕試驗應(yīng)力－應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

（1）5～24 h 點蝕試驗中，316L 的平均腐蝕速率約為2205 不銹鋼的5 倍，在24 h 后達到6 倍，兩者的點蝕速率呈加速態(tài)勢，316L 不銹鋼的加速大于2205 不銹鋼。

（2）168 h 的均勻腐蝕測試試驗表明，2205不銹鋼的耐腐蝕性能優(yōu)于316L 不銹鋼，且兩類不銹鋼均出現(xiàn)了輕微的點蝕現(xiàn)象，316L 相對嚴重一些。

（3）在服役環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕試驗表明，這兩種不銹鋼具有很優(yōu)秀的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，但是因腐蝕評價采用的快速評價方法—慢應(yīng)變速率試驗，所以環(huán)境元素被弱化了。

（4）綜合試驗結(jié)果表明，316L 和2205 不銹鋼在所選環(huán)境中均存在點蝕風(fēng)險，因此從風(fēng)險控制角度出發(fā)，2205 不銹鋼具有較316L 不銹鋼優(yōu)秀的耐點蝕性能，因而在3 個試驗中均呈現(xiàn)出優(yōu)于316L 的腐蝕性能。盡管在快速應(yīng)力腐蝕評價中，兩者均呈現(xiàn)出非常優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕性能，但是如果時間再度增加，一旦點蝕形成，則應(yīng)力腐蝕的敏感性會增加。