2205 與2507 型雙相不銹鋼在高氯環(huán)境下服役性能比較

周子鈞，劉爽，丁國清，董彩常，曲政

（1.青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司，青島 266071；2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所，青島 266071）

引言

冷卻塔對塔芯部件的使用壽命有特定的要求，海邊冷卻塔設(shè)備都采用海水進行循環(huán)冷卻，不同于普通海水環(huán)境，冷卻塔在換熱過程海水中水份蒸發(fā)，冷卻塔后半程塔芯設(shè)備處于濃縮海水環(huán)境中，氯離子濃度升高不銹鋼表面鈍化膜更容易被破壞。此時塔芯設(shè)備周圍濃縮海水溫度遠高于室溫，溫度升高會大幅度提高金屬腐蝕的速率，此前很少有冷卻塔塔芯設(shè)備系統(tǒng)的金屬材料腐蝕研究，冷卻塔對塔芯部件的使用壽命有特定的要求，本研究開展塔芯設(shè)備防腐蝕、材料的選擇以及壽命預(yù)測的相關(guān)試驗[7-15]。

本文對雙相不銹鋼材料的腐蝕形貌、腐蝕類型、腐蝕速率、點蝕/縫隙腐蝕數(shù)據(jù)、電化學信息數(shù)據(jù)等試驗結(jié)果進行綜合評定，對比分析兩種雙相不銹鋼材料的腐蝕性差異，對冷卻塔設(shè)備的材料選擇和服役壽命預(yù)測提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗方法

1.1 電化學試驗

當金屬表面的電位高于金屬臨界點蝕電位時，會形成點蝕，依據(jù)GB/T 17899-1999 《不銹鋼點蝕電位測量方法》對不銹鋼點蝕電位進行測試。對沖刷試驗和鹽霧試驗后不銹鋼樣品進行電化學阻抗測試。

1.2 局部腐蝕試驗

在冷卻塔高溫高氯環(huán)境下不銹鋼鈍化膜易被破壞，很容易發(fā)生局部腐蝕，局部腐蝕主要包括：點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等腐蝕行為。點蝕是一種從金屬表面向內(nèi)部擴展形成空穴或腐蝕坑狀的局部腐蝕形態(tài)，點蝕試驗依據(jù)標準：GB/T 17897-2016 《不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》；縫隙腐蝕是處在腐蝕介質(zhì)中的金屬與金屬或與非金屬表面之間由于狹縫或間隙的存在，而產(chǎn)生的局部腐蝕。試驗按照標準：GB/T 10127-2002《不銹鋼三氯化鐵縫隙腐蝕試驗方法》執(zhí)行，縫隙腐蝕試樣裝配見圖1。

圖1 縫隙腐蝕試樣裝配圖

沿著或緊挨著金屬的晶粒邊界發(fā)生的腐蝕稱為晶間腐蝕。試驗按照標準：GB/T 4334-2008 《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》執(zhí)行。應(yīng)力腐蝕破裂（SCC）是指在某些特定介質(zhì)中金屬材料受拉伸應(yīng)力作用，受到介質(zhì)與應(yīng)力共同作用發(fā)生斷裂的行為[16-20]。應(yīng)力腐蝕試樣見圖2。

圖2 應(yīng)力腐蝕試樣實物圖

試驗結(jié)束后，記錄不銹鋼腐蝕形貌，整理局部腐蝕試驗數(shù)據(jù)并進行分析。

1.3 均勻腐蝕試驗

動態(tài)腐蝕模擬試驗和鹽霧試驗是金屬材料加速腐蝕常用的試驗方法。動態(tài)腐蝕模擬試驗是指腐蝕介質(zhì)與金屬表面間的相對運動而引起金屬的加劇破壞或腐蝕。模擬了冷卻塔中濃縮海水對塔芯設(shè)備的腐蝕和相對運動。

沖刷腐蝕設(shè)備見圖3、4。

圖3 管流模擬流動試驗裝置示意圖

圖4 管流模擬流動試驗裝置

鹽霧試驗是模擬冷卻塔內(nèi)高溫高氯環(huán)境，模擬冷卻塔內(nèi)溫度環(huán)境，加速不銹鋼腐蝕進程。鹽霧試驗見圖5。

圖5 濃縮海水的鹽霧試驗

動態(tài)腐蝕模擬試驗和鹽霧試驗的試驗周期均為：30天、60 天、90 天、120 天。每周期試驗完成后取出試樣，對金屬試樣進行腐蝕外觀、腐蝕速率、點蝕、銹層組織等腐蝕數(shù)據(jù)測試分析，對初始及120 天試驗結(jié)束后進行試驗材料的交流阻抗測試，獲得材料在模擬服役條件下的腐蝕數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

點蝕電位測試見圖6。

圖6 2205、2507 不銹鋼極化曲線

由點蝕電位結(jié)果可以看出，2507 型不銹鋼平均點蝕電位要高于2205 型不銹鋼，說明其耐點蝕能力要更強。經(jīng)過點蝕試驗后2205 型不銹鋼也出現(xiàn)明顯點蝕，詳情見圖7，2205 型不銹鋼出現(xiàn)點蝕坑平均深度為161.32 μm，2507 型不銹鋼沒有出現(xiàn)明顯點蝕坑，與電化學試驗結(jié)果相對應(yīng)，2507 型不銹鋼耐點蝕能力要高于2205 型不銹鋼。

圖7 耐點蝕試驗后2205、2507 微觀形貌圖表

縫隙腐蝕試驗結(jié)果如圖8，經(jīng)過縫隙腐蝕試驗，2205 型不銹鋼出現(xiàn)明顯的縫隙腐蝕，平均縫隙腐蝕深度為547.1 μm，2507 型不銹鋼表面未出現(xiàn)明顯縫隙腐蝕，與點蝕結(jié)果相對應(yīng)，2507 型不銹鋼耐局部腐蝕能力更強。

圖8 縫隙腐蝕試驗后2205、2507 微觀形貌圖

應(yīng)力腐蝕試驗后斷口形貌如圖9，2205 型不銹鋼與2507 型不銹鋼斷口處平整，斷裂角接近45 °， 2507 型不銹鋼應(yīng)力腐蝕收縮率FR 為12.5 %，2205 型不銹鋼應(yīng)力腐蝕收縮率FR 為14.64 %，兩種不銹鋼試樣應(yīng)力腐蝕收縮率損失系數(shù)小于25 %，試樣沒有出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕傾向，不銹鋼試樣斷口均屬于韌性斷口，全部試樣均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

圖9 應(yīng)力腐蝕結(jié)果圖

晶間腐蝕試驗結(jié)果如圖10，2205、2507 型不銹鋼彎折處均未出行腐蝕，2205 型不銹鋼和2507 型不銹鋼在應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕試驗中表現(xiàn)無明顯差異。

圖10 晶間腐蝕結(jié)果圖

沖刷試驗四個周期后2205、2507 型不銹鋼試樣形貌如圖11、12， 由沖刷試驗后形貌圖可以看出，四個周期后，六組不銹鋼試樣沒有出現(xiàn)腐蝕，每組試樣各周期宏觀形貌無明顯差異。

圖11 2205、2507 在濃縮海水動態(tài)腐蝕模擬試驗后的腐蝕形貌

圖12 2205 與2507 在濃縮海水沖刷試驗后電化學bode 圖

在經(jīng)過濃縮倍海水沖刷后，2507 的阻抗模值遠大于2205 的阻抗模值，說明2507 比2205 型不銹鋼耐腐蝕性能更好。經(jīng)過120 天模擬沖刷試驗，2205 型不銹鋼和2507 型不銹鋼平均腐蝕率都很低，2205 型不銹鋼腐蝕率為0.000 591 mm/a，2507 型不銹鋼腐蝕率為0.000 492 mm/a。且試樣均未產(chǎn)生點蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕。

鹽霧試驗四個周期后2205、2507 型不銹鋼試樣形貌如圖13。

圖13 2205、2507 在鹽霧腐蝕模擬試驗后的腐蝕形貌

經(jīng)過四個周期的鹽霧試驗，六組不銹鋼試樣腐蝕率先變大再減小，120 天后趨于穩(wěn)定，在2.0 倍濃縮海水條件下，2507 型不銹鋼腐蝕率0.000 282 mm/a 明顯小于2205 型不銹鋼0.000 252 mm/a。經(jīng)過120 天模擬鹽霧試驗，在35 ℃、高濕度、高鹽度環(huán)境下，兩種不銹鋼并未產(chǎn)生點蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕，2205 型不銹鋼和2507型不銹鋼腐蝕率都很低。對鹽霧試驗后樣品進行電化學試驗，由圖14 可知2507 阻抗模值比2205 要大，相應(yīng)其耐腐蝕性能也更好。

圖14 2205 與2507 在濃縮海水鹽霧試驗后電化學bode 圖

3 結(jié)論

經(jīng)過點蝕電位測試，同廠家2507 型不銹鋼點蝕電位高于2205型不銹鋼，日本冶金2507不銹鋼點蝕電位最高，相對應(yīng)耐點蝕性能也是最好的。在基本腐蝕性能試驗中2507 型不銹鋼表現(xiàn)較好，沒有出現(xiàn)局部腐蝕；2205 型不銹鋼出現(xiàn)點蝕和縫隙腐蝕，但并未出行應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕。在模擬服役環(huán)境腐蝕性能試驗中，兩種雙相不銹鋼試樣腐蝕率都較低，力學性能損失較少，2507 型不銹鋼阻抗模值比同廠家2205 型不銹鋼高。

綜上，在模擬環(huán)境腐蝕試驗中不銹鋼腐蝕率都較低，不銹鋼是否可以正常服役主要看其在實際服役環(huán)境中是否會發(fā)生局部腐蝕，根據(jù)現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)分析，2507 型不銹鋼在腐蝕試驗中表現(xiàn)優(yōu)異，在長期服役條件下一般不會出現(xiàn)局部腐蝕，基本可以達到服役標準，推薦2507 型不銹鋼作為冷卻塔塔芯部件選材。但實際服役環(huán)境中，冷卻系統(tǒng)的高溫條件能大大提高不銹鋼腐蝕速率，發(fā)生局部腐蝕的可能性會高于試驗?zāi)M，所以要靠長期、多點監(jiān)測不銹鋼的服役情況來保證不銹鋼部件正常工作運行。