基于316L不锈钢材质的复合滤网腐蚀行为研究

王要伟，杨志锋，宋泓清，刘峰

（1.中船重工第七二五研究所，河南 洛阳 471023；2.海洋腐蚀与防护科技重点实验室 中船重工第七二五研究所青岛分部，山东 青岛 266237）

316L 复合滤网主要用于船舶压载水系统中的自动反冲洗过滤器，其加工方式是采用316L 多层滤网与316L 骨架网烧结在一起制成的复合滤网，其结构形式见图1。316L 以其优良的耐腐蚀性能，在船舶应用较为普遍，因此对316L 的耐腐蚀性研究也较为广泛。张鸣伦等[1]通过极化曲线、交流阻抗和循环伏安曲线研究了316L 在不同Cl-浓度下的腐蚀变化情况；段振刚[2]研究了溶液温度及溶氧量对316L 不锈钢腐蚀行为的影响；张铭显[3-4]研究了316L 奥氏体晶粒组织和晶界等微观结构对其力学性能和抗腐蚀性的影响；孙兆栋[5]通过对316L 不锈钢在天然海水中阴极极化规律并研究了采用电化学法控制局部腐蚀等。以上研究只针对316L 块状材料本身进行研究，但是针对316L 多层滤网和316L骨架网的腐蚀行为少有提及。因此对316L 多层滤网、316L 骨架网和316L 成品滤网的腐蚀行为进行研究，以期预测滤芯使用寿命并确定维护周期。

图1 复合滤网截面结构示意图

1 试验

1.1 试验材料

试验材料选用316L 奥氏体不锈钢，其中多层滤网和复合网通过烧结完成，其原理为真空扩散焊接，即在高度真空状态下，对放置在真空加热腔的多层滤网均匀施加压力，使各层滤网有效接触，并通过加热，加快原子的相互扩散，实现各层滤网的扩散连接。根据其结构形式，共分为5 大类试样，其结构形式见图2。

图2 316L 不同结构试样

其中主滤网、保护网和加强网编织型式相同，目数分别为254、30 和20，结构组成见表1。试样用砂布打磨，表面无刻痕和麻点，保证表面光洁和无腐蚀，打磨后采用蒸馏水冲净，再用酒精去油。

表1 316L 滤网不同结构组成形式

1.2 试验方法

1.2.1 不锈钢点蚀电位

分别对316L 成品、316L 多层滤网和316L 骨架网进行点蚀电位试验，试样大小为100 mm×20 mm，试验方法依据标准为GB/T 17899—1999《不锈钢点蚀电位测量方法》，将试验溶液(青岛海域天然海水)加热至试验温度并在恒温槽保温，试验温度为（30±1）℃。测量前向溶液中通人纯氮或纯氧（纯度不低于 99.99%）进行30 min 的预除氧。试验过程中保持对溶液连续通气，通气速度按每升试验溶液约 0.5 L·min-1控制。把经过最终打磨试祥的试验面全浸于溶液中，试样的试验面完全浸在溶液液面下约l cm，放置约 10 min 后，从自然电位开始，以电位扫描速度 20 mV·min-1进行阳极极化。

测试设备为2273 电化学综合测试系统，采用三电极体系，其中参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为Pt 电极，工作电极为不锈钢滤网试样。试验中记录阳极化曲线上对应电流密度为10 μA·cm-2和100 μA·cm-2的电位中最正点电位值，即为点蚀电位E’b10和E’b100。

1.2.2 不锈钢点蚀电位

试验方法依据标准为GB/T 17897—1999《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》。

用纯盐酸和去离子水配制成0.05 mol·L-1(即稀释约 245 倍)的盐酸溶液，将纯三氯化铁（FeCl3·6H2O）100 g 溶于900 mL 0.05 mol·L-1盐酸溶液中，配制成6%三氯化铁溶液。

将配制的三氯化铁溶液倒入试验容器中，将试验容器放入恒温槽中，加热至（35±1）℃，将试样放到溶液中的支架上，连续进行浸泡。

点蚀加速试验采用6 个316L 成品试样，试样大小为30 mm×20 mm。试验前对试样进行打磨、清洗，保证表面光滑、光亮且无腐蚀。试样分成2 组，每组3 个，分别进行24 h 和72 h 点蚀加速试验，试验前试样表面形貌见图3、图4。试验结束后，取出试样按照GB/T16545 中规定的方法，清除试样上的腐蚀产物，洗净，干燥后称重，拍照等。

图3 316L 成品试样-骨架面

图4 316L 成品试样-滤网面

1.2.3 电偶腐蚀

滤网成品是由同种材料不同结构组合而成，可能存在电偶腐蚀现象，因此对滤网成品试样进行电偶腐蚀试验。电偶腐蚀试验方法依据标准GB/T 15748—2013《船用金属材料电偶腐蚀试验方法》,试验设备为多区电化学综合测试系统（十六通道）Biologic VMP3。其中参比电极为饱和甘汞电极，多层滤网和骨架网作为偶对，尺寸150 mm×30 mm，每对偶对试样平行相对，间距30mm，试样浸入水下部分120 mm×30 mm，露出水上部分用于连接电化学工作站。

根据上述试验方法的要求，最终确定试验方案见表2。

2 结果与讨论

2.1 点蚀电位

2.1.1 点蚀测试曲线

不锈钢耐蚀性主要来自表面Cr 氧化形成的钝化膜，钝化膜的形成过程影响膜的质量，从而影响其耐腐蚀能力。因此在测试点蚀电位和击穿电位的同时，需要对钝化过程进行分析。

表2 试验方案

图5-图7 给出了316L 骨架网、成品和滤网材料的点蚀测试曲线。

图5 316L 骨架网试样的点蚀测试曲线

图6 316L 成品网试样的点测试曲线

图7 316L 多层滤网试样的点蚀测试曲线

从图中可以看出，316L 骨架网的钝化区间红色线区域，θ约为90º，316 成品的钝化区间红色线区域，θ约为80º，表明钝化过程中，随着电压增大，腐蚀电流基本不增大或增加幅度小，钝化效果较好。316L 多层滤网的钝化区间红色线区域，θ约为60º～70º，钝化过程中电流波动较小。

2.1.2 点蚀电位

按照标准GBT 17899—1999《不锈钢点蚀电位测量方法》中第7 条，从图 5-图 7 点蚀电位测量曲线上分别取10 µA·cm-2、100 µA·cm-2对应的电位，确定为点蚀电位，如表4所示。

表3 试样的点蚀电位值

从表3 可知，击穿电位排序为：316L 骨架网>316L 成品网>316L 多层滤网，点蚀电位排序为：316L 骨架网>316L 成品>316L 多层滤网。因此可以看出：骨架网的耐点蚀能力较高，其次是成品，最低的316L 多层滤网。

2.2 点蚀加速

取3 组试样进行24 h 点蚀加速试验，通过对滤网24 h 加速腐蚀后的形貌照片看，骨架网与滤网均未发现明显的腐蚀现象及腐蚀产物。

取另外3 组进行72 h 点蚀加速试验，滤网72 h加速腐蚀后骨架面和滤网面形貌见图8-图15。从图8 中可以看出，3 组平行试样骨架面表面均出现明显的点蚀坑，甚至断裂，对明显的腐蚀坑和断裂处进行微观分析，如图9-图11所示，有2 处骨架试样4、试样6 完全断裂，最大尺寸超过2 600 μm（试样6）。从图 12 看出，滤网表面均出现腐蚀断裂，对图中标记位置进行微观分析，如图13-图15所示，滤网外层均出现断裂，主滤网也发现断裂现象。

图8 点蚀加速72h后形貌-骨架面

图9 试样4 骨架面微观形貌

图10 试样5骨架面微观形貌

图11 试样6 骨架面微观形貌

图12 点蚀加速72h 后形貌-滤网面

图13 试样4滤网面微观形貌

图14 试样5 滤网面微观形貌

图15 试样6滤网面微观形貌

点蚀加速腐蚀的失重数据如表3所示，从表中可以看出随着加速时间的延长，滤网材料的失重增加。结合腐蚀形貌分析，试样中骨架面腐蚀程度相对于滤网面更严重。

表4 不锈钢滤网加速腐蚀失重记录

2.3 电偶腐蚀

将试样316L 骨架网（316g）和316L 多层滤网（316l）浸泡到含有天然海水中的试验装置，浸泡时间为20 天，分别测量其开路电位、偶合电位和偶合电流，见图16-图19。

图16 试样316g1-316l1 开路电位变化图

图17 试样316g2-316l2 开路电位变化图

图18 试样316g3-316l3 开路电位变化图

图19 电偶对316G-316 偶合电流变化图

从图中看出316滤网的开路电位高于316骨架，其偶合电位居于二者之间，表明二者组成电偶对中，316 滤网作为阴极被保护，316 骨架作为阳极加速腐蚀。从图21 看出偶合电流为正表示电流由316 骨架网流向316 滤网，偶合电流处于0.5～2 μA。

3 结论

通过对316L 不锈钢滤网材料及成品进行点蚀电位、点蚀加速和电偶试验，得到以下结论：

1）通过点蚀电位曲线和点蚀电位测量，不同结构耐点蚀能力有强到弱依次为316L 骨架网、316L成品滤网和316L 多层滤网，点蚀电位E’b10分别为190 mV、132 mV 和86 mV。

2）316L 成品滤网作为316L 骨架网和316L 多层滤网的烧结到一起的结构，在点蚀加速试验和电偶试验中，316L 骨架作为阳极加速腐蚀，316L 多层滤网面被保护。

3）在实际工程应用中，316L 成品中由于316L骨架作为阳极加速腐蚀，因此其寿命预估不仅要考虑316L 多层滤网腐蚀造成过滤精度失效，同时应该考虑316L 骨架网腐蚀引发强度降低而造成滤芯压溃。