温度对904L不锈钢耐点蚀性能的影响

2017-10-11 10:42王绍尉黄德军李成涛方可伟
腐蚀与防护 2017年9期
关键词:极化曲线不锈钢电化学

王绍尉,黄德军,李成涛,董 帅,罗 越,方可伟

温度对904L不锈钢耐点蚀性能的影响

王绍尉1,黄德军1,李成涛2,董 帅2,罗 越1,方可伟2

(1.台山核电合营有限公司,台山529228;2.苏州热工研究院电站寿命管理技术中心,苏州215004)

采用FeCl3溶液浸泡试验、动电位极化、电化学阻抗谱及体式显微镜研究了904L超级奥氏体不锈钢在不同温度下的点蚀行为。结果表明:溶液温度为25℃时,904L不锈钢具有优异的耐点蚀性能,随着溶液温度的升高,其耐点蚀性能下降,在65℃FeCl3溶液中基体表面产生严重的点蚀坑。在不同温度模拟海水溶液中的电化学测试结果同样表明:随着试验温度的提高,自腐蚀电流密度增大,点蚀电位下降,点蚀敏感性提高;EIS均为单一的容抗弧,温度升高,容抗弧半径减小,材料腐蚀速率增大,耐蚀性降低。

904L不锈钢;温度;点蚀;动电位极化;电化学阻抗谱

Abstract:The pitting corrosion behavior of 904L super austenitic stainless steel at different temperatures was studied by pitting test of FeCl3solution,potentiodynamic polarization and stereo microscopy.The results showed that 904L stainless steel had excellent pitting corrosion resistance at room temperature,with the increase of test temperature,the pitting corrosion resistance of 904L stainless steel decreased.In the FeCl3solution at 65℃,serious pitting corrosion holes were found on the surface of tested 904L matrix.The results of the electrochemical test also showed that as the temperature increased,the pitting potential decreased,EIS presented as single capacitive arc,and the radius of the arc also decreased,which indicated the corrosion rate increased and the corrosion resistance decreased.

Key words:904L stainless steel;temperature;pitting corrosion;potentiodynamic polarization;EIS

904L不锈钢是一种超低C、高Ni、Cr、Mo的超级奥氏体不锈钢。904L不锈钢含有一定量的Cu、Mn等合金元素,具有良好的抗晶间腐蚀、点腐蚀以及应力腐蚀性能,其耐蚀性远远优于304L、316L奥氏体不锈钢,主要用于石油、核电、化工等行业,长期处于苛刻环境中运行的关键设备。

过去,有关904L不锈钢的研究多集中于其在不同浓度强酸、弱酸等环境中的腐蚀行为[1-3],而有关其在海水环境中腐蚀行为的研究却鲜见报道。904L不锈钢在运行核电站的服役环境是65℃甚至更高温度海水腐蚀环境。在此环境中,其焊接接头甚至基体会出现点蚀,危及电站的正常运行。因此,有必要研究904L不锈钢在高温海水中的耐点蚀性能。本工作采用电化学方法研究了904L不锈钢在不同温度海水中的腐蚀行为,并结合不同温度FeCl3点蚀加速对比试验,分析了温度对904L不锈钢耐点蚀性能的影响,以期为其在电站工况条件下的使用提供理论依据。

1 试验

1.1 试样

试验材料为904L奥氏体不锈钢,其化学成分为:wC0.015%,wSi0.54%,wMn1.46%,wCr20.01%,wNi24.32%,wMo4.25%,wCu1.25%,wS0.001%,wP0.025%,余量为Fe。904L不锈钢的组织为典型的奥氏体晶粒,并有一定量的孪晶组织。

浸泡试验用试样(A型试验)的尺寸为40 mm×20 mm×4 mm,试验前用砂纸(100~400号)逐级打磨试样表面,然后分别用去离子水、丙酮和无水乙醇清洗并吹干待用。电化学试验用试样(B型试样)尺寸为10 mm×10 mm×4 mm,背面焊接Cu导线,用环氧树脂包封。试验前用砂纸(100~800号)逐级打磨试样表面,依次用去离子水、丙酮和无水乙醇清洗后吹干待用。

1.2 试验方法

电化学试验在CS310电化学工作站上完成,采用经典三电极体系,B型试样作为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,Pt电极作为辅助电极,文中电位若无特指,均相对于SCE。试验溶液为模拟海水(3.5%NaCl溶液),试验温度为25,40,50,65℃。测试前首先将工作电极在-1.0 V下极化180 s,以去除试样表面的氧化膜。将工作电极在试验溶液中静止浸泡1 h后,以20 m V/min的扫描速率进行动电位极化曲线测试,EIS测试扰动电位为10 m V,测试频率范围为10 m Hz~100 k Hz。

2 结果与讨论

2.1 浸泡试验

由图1可见:在25,40℃的FeCl3溶液中浸泡72 h后,试样的宏观形貌与试验前的相比没有明显差别;溶液温度升至50℃,浸泡试验后,肉眼可见试样表面存在少量针孔状的小点蚀坑;溶液温度升至65℃,浸泡试验后,试样表面产生巨大的点蚀坑,且蚀坑很深。这表明,当浸泡试验温度升高到50℃时,904L不锈钢的耐点蚀性能明显降低。

由图2可见:当试验温度为25,40℃时,试样未发现点蚀坑,40℃时,试样表面已经有点蚀源的萌生;温度升高至50℃,试样表面存在直径为约100~200μm的小点蚀坑;溶液温度升至65℃,试样表面大点蚀坑的直径超过4 000μm,此外,试样表面还存在大量的尺寸在数微米至数十微米的小蚀坑。当试验温度为50℃时,试样表面点蚀坑的深度约为80~100μm;温度升高至65℃,试样表面点蚀坑的深度超过1 500μm。

图1 试样在不同温度4%FeCl3溶液中浸泡72 h后的宏观点蚀形貌Fig.1 Macroscopic pitting morphology of samples in 4%FeCl3solution for 72 h at different experimental temperatures

2.2 电化学试验

2.2.1极化曲线

由图3和表1可见:在不同温度试验溶液中,试样的极化曲线特征相似,阴极极化部分均为氢还原过程。在温度低于50℃条件下,随着试验温度的升高,试样的自腐蚀电位(Ecorr)和自腐蚀电流密度(Jcorr)变化不明显,Jcorr略微增大,维钝电流密度接近,常温下Tafel曲线比较平滑;40℃时,当电位扫描至700~800 mV时,钝化膜稳定性下降,点蚀开始萌生并迅速被抑制,扫描电位达到800 mV以上,电流密度快速增大,发生点蚀;当试验温度升高到65℃,Ecorr下降比较明显,Jcorr明显增大,较常温下增大3倍,维钝电流密度也显著增大。同时可知,常温下试样点蚀电位(Ep)为934 mV,随着温度的升高,点蚀电位明显下降,钝化区范围缩短,点蚀敏感性明显提高。

图2 试样在不同温度4%FeCl3溶液中浸泡72 h后的微观点蚀形貌Fig.2 Microscope pitting morphology of samples in 4%FeCl3solution for 72 h at different experimental temperatures

图3 不同温度下,试样在模拟海水中动电位极化曲线Fig.3 Polarization curves of samples in simulated seawater at different temperatures

表1 极化曲线拟合结果Tab.1 Fitting results of polarization curves

由图4可见:经动电位极化曲线扫描后,试样表面均发生点蚀,25℃时点蚀程度较轻,基体表面划痕明显;40℃和50℃时基体表面点蚀坑数量增多,蚀坑尺寸较常温下增大;65℃时,试样表面产生大量点蚀坑,蚀坑较深且为剥蚀状,几乎观察不到划痕。

模糊层次分析法FAHP(Fuzzy Analytic Hierarchy Process)是在传统的层次分析法基础上,考虑到人们对复杂事物判断的模糊性,引入模糊一致性矩阵的决策方法。模糊层次分析法很好地解决了AHP判断矩阵的一致性问题。本文在具体采用模糊层次分析法确定各个路由度量权重系数之前,首先作如下假设:

图4 不同温度下,试样经动电位极化扫描后的表面形貌Fig.4 Surface morphology of samples after polarization at different temperatures

2.2.2电化学阻抗谱

由图5可见:试样在海水中的EIS由单一的容抗弧组成,表明腐蚀过程完全由电化学反应控制[4],并且容抗弧半径大小反映了腐蚀过程电荷转移电阻,半径越大表明电荷转移电阻越大。其等效电路图[5]中,Rs为溶液电阻,Rct为电荷转移电阻,Q为常相位角元件,由常相系数Y0和弥散系数n决定,且n表示弥散效应程度。由表2可见:在常温下Rct为5.31×104Ω·cm-2,即在电荷穿过电解质溶液和电极两相界面的转移过程中,遇到的阻力大,表明904L不锈钢具有良好的耐蚀性;随着试验温度的升高,Rct有所减小,电极表面离子迁移率提高,宏观表现为电极表面腐蚀速率加快[6],这与动电位极化曲线所得的结果吻合。

图5 试样在不同温度模拟海水中的电化学阻抗谱及其等效电路Fig.5 EIS(a)and equivalent circuit(b)of samples in simulated seawater at different temperatures

表2 电化学阻抗谱拟合结果Tab.2 Fitting results of EIS

3 结论

(1)试验温度为25℃,904L不锈钢无点蚀发生;升温至40℃,也没有明显的点蚀,但点蚀源开始萌生;升温至50℃,基体表面产生少量肉眼可见的针状小点蚀坑;升温至65℃,点蚀进一步加剧。这表明,随温度升高,904L不锈钢耐FeCl3点蚀性能明显下降。

(2)当温度低于50℃时,Ecorr和Jcorr变化不明显,维钝电流密度接近;升温至65℃时,Jcorr明显增大,较常温下增大3倍,维钝电流密度也显著增大。同时,随着试验温度升高,点蚀电位Ep下降,钝化区范围缩短,点蚀敏感性明显提高。

(3)904L不锈钢在海水中的EIS由单一的容抗弧组成,表明腐蚀过程完全由电化学反应控制,随着试验温度的升高,Rct减小,电极表面离子迁移率提高,腐蚀速率加快,耐蚀性能下降,这与极化曲线结果相吻合。

[1] 向嵩,曾洪涛,杨阳,等.浓硫酸中904L不锈钢焊接接头的耐蚀性能[J].北京科技大学学报,2014,36(1):69-73.

[2] 顾伟,杨明.904L和CD4MCu不锈钢在硫酸中的腐蚀行为[J].贵州化工,2012,37(6):7-9.

[3] 曾洪涛,向嵩,刘松林,等.904L不锈钢在氢氟酸和浓硫酸混合液中的腐蚀行为[J].中国腐蚀与防护学报,2013,33(3):182-187.

[4] 曹楚南.腐蚀电化学[M].北京:化学工业出版社,2002.

[5] 曹楚南,张鉴清.电化学阻抗谱导论[M].北京:科学出版社,2002.

[6] 杜楠,叶超,田文明,等.304不锈钢点蚀行为的电化学阻抗谱研究[J].材料工程,2014(6):68-73.

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Effect of Temperature on Pitting Corrosion Behavior of the 904L Stainless Steel

WANG Shaowei1,HUANG Dejun1,LI Chengtao2,DONG Shuai2,LUO Yue1,FANG Kewei2
(1.Taishan nuclear power joint venture Co.,Ltd.,Taishan 529228,China;2.Plant Life Management Research Center,Suzhou Nuclear Power Research Institute,Suzhou 215004,China)

TG174

A

1005-748X(2017)09-0689-04

10.11973/fsyfh-201709006

2017-06-06

李成涛(1980-),高级工程师,博士,从事核电金属材料高温高压水应力腐蚀研究,0512-68701730,lichengtao@cgnpc.com.cn

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