2205 与2507 型双相不锈钢在高氯环境下服役性能比较

周子钧，刘爽，丁国清，董彩常，曲政

（1.青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，青岛 266071；2.钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所，青岛 266071）

引言

冷却塔对塔芯部件的使用寿命有特定的要求，海边冷却塔设备都采用海水进行循环冷却，不同于普通海水环境，冷却塔在换热过程海水中水份蒸发，冷却塔后半程塔芯设备处于浓缩海水环境中，氯离子浓度升高不锈钢表面钝化膜更容易被破坏。此时塔芯设备周围浓缩海水温度远高于室温，温度升高会大幅度提高金属腐蚀的速率，此前很少有冷却塔塔芯设备系统的金属材料腐蚀研究，冷却塔对塔芯部件的使用寿命有特定的要求，本研究开展塔芯设备防腐蚀、材料的选择以及寿命预测的相关试验[7-15]。

本文对双相不锈钢材料的腐蚀形貌、腐蚀类型、腐蚀速率、点蚀/缝隙腐蚀数据、电化学信息数据等试验结果进行综合评定，对比分析两种双相不锈钢材料的腐蚀性差异，对冷却塔设备的材料选择和服役寿命预测提供数据支撑。

1 试验方法

1.1 电化学试验

当金属表面的电位高于金属临界点蚀电位时，会形成点蚀，依据GB/T 17899-1999 《不锈钢点蚀电位测量方法》对不锈钢点蚀电位进行测试。对冲刷试验和盐雾试验后不锈钢样品进行电化学阻抗测试。

1.2 局部腐蚀试验

在冷却塔高温高氯环境下不锈钢钝化膜易被破坏，很容易发生局部腐蚀，局部腐蚀主要包括：点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等腐蚀行为。点蚀是一种从金属表面向内部扩展形成空穴或腐蚀坑状的局部腐蚀形态，点蚀试验依据标准：GB/T 17897-2016 《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》；缝隙腐蚀是处在腐蚀介质中的金属与金属或与非金属表面之间由于狭缝或间隙的存在，而产生的局部腐蚀。试验按照标准：GB/T 10127-2002《不锈钢三氯化铁缝隙腐蚀试验方法》执行，缝隙腐蚀试样装配见图1。

图1 缝隙腐蚀试样装配图

沿着或紧挨着金属的晶粒边界发生的腐蚀称为晶间腐蚀。试验按照标准：GB/T 4334-2008 《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》执行。应力腐蚀破裂（SCC）是指在某些特定介质中金属材料受拉伸应力作用，受到介质与应力共同作用发生断裂的行为[16-20]。应力腐蚀试样见图2。

图2 应力腐蚀试样实物图

试验结束后，记录不锈钢腐蚀形貌，整理局部腐蚀试验数据并进行分析。

1.3 均匀腐蚀试验

动态腐蚀模拟试验和盐雾试验是金属材料加速腐蚀常用的试验方法。动态腐蚀模拟试验是指腐蚀介质与金属表面间的相对运动而引起金属的加剧破坏或腐蚀。模拟了冷却塔中浓缩海水对塔芯设备的腐蚀和相对运动。

冲刷腐蚀设备见图3、4。

图3 管流模拟流动试验装置示意图

图4 管流模拟流动试验装置

盐雾试验是模拟冷却塔内高温高氯环境，模拟冷却塔内温度环境，加速不锈钢腐蚀进程。盐雾试验见图5。

图5 浓缩海水的盐雾试验

动态腐蚀模拟试验和盐雾试验的试验周期均为：30天、60 天、90 天、120 天。每周期试验完成后取出试样，对金属试样进行腐蚀外观、腐蚀速率、点蚀、锈层组织等腐蚀数据测试分析，对初始及120 天试验结束后进行试验材料的交流阻抗测试，获得材料在模拟服役条件下的腐蚀数据。

2 结果与讨论

点蚀电位测试见图6。

图6 2205、2507 不锈钢极化曲线

由点蚀电位结果可以看出，2507 型不锈钢平均点蚀电位要高于2205 型不锈钢，说明其耐点蚀能力要更强。经过点蚀试验后2205 型不锈钢也出现明显点蚀，详情见图7，2205 型不锈钢出现点蚀坑平均深度为161.32 μm，2507 型不锈钢没有出现明显点蚀坑，与电化学试验结果相对应，2507 型不锈钢耐点蚀能力要高于2205 型不锈钢。

图7 耐点蚀试验后2205、2507 微观形貌图表

缝隙腐蚀试验结果如图8，经过缝隙腐蚀试验，2205 型不锈钢出现明显的缝隙腐蚀，平均缝隙腐蚀深度为547.1 μm，2507 型不锈钢表面未出现明显缝隙腐蚀，与点蚀结果相对应，2507 型不锈钢耐局部腐蚀能力更强。

图8 缝隙腐蚀试验后2205、2507 微观形貌图

应力腐蚀试验后断口形貌如图9，2205 型不锈钢与2507 型不锈钢断口处平整，断裂角接近45 °， 2507 型不锈钢应力腐蚀收缩率FR 为12.5 %，2205 型不锈钢应力腐蚀收缩率FR 为14.64 %，两种不锈钢试样应力腐蚀收缩率损失系数小于25 %，试样没有出现应力腐蚀倾向，不锈钢试样断口均属于韧性断口，全部试样均未发生应力腐蚀。

图9 应力腐蚀结果图

晶间腐蚀试验结果如图10，2205、2507 型不锈钢弯折处均未出行腐蚀，2205 型不锈钢和2507 型不锈钢在应力腐蚀和晶间腐蚀试验中表现无明显差异。

图10 晶间腐蚀结果图

冲刷试验四个周期后2205、2507 型不锈钢试样形貌如图11、12， 由冲刷试验后形貌图可以看出，四个周期后，六组不锈钢试样没有出现腐蚀，每组试样各周期宏观形貌无明显差异。

图11 2205、2507 在浓缩海水动态腐蚀模拟试验后的腐蚀形貌

图12 2205 与2507 在浓缩海水冲刷试验后电化学bode 图

在经过浓缩倍海水冲刷后，2507 的阻抗模值远大于2205 的阻抗模值，说明2507 比2205 型不锈钢耐腐蚀性能更好。经过120 天模拟冲刷试验，2205 型不锈钢和2507 型不锈钢平均腐蚀率都很低，2205 型不锈钢腐蚀率为0.000 591 mm/a，2507 型不锈钢腐蚀率为0.000 492 mm/a。且试样均未产生点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀。

盐雾试验四个周期后2205、2507 型不锈钢试样形貌如图13。

图13 2205、2507 在盐雾腐蚀模拟试验后的腐蚀形貌

经过四个周期的盐雾试验，六组不锈钢试样腐蚀率先变大再减小，120 天后趋于稳定，在2.0 倍浓缩海水条件下，2507 型不锈钢腐蚀率0.000 282 mm/a 明显小于2205 型不锈钢0.000 252 mm/a。经过120 天模拟盐雾试验，在35 ℃、高湿度、高盐度环境下，两种不锈钢并未产生点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀，2205 型不锈钢和2507型不锈钢腐蚀率都很低。对盐雾试验后样品进行电化学试验，由图14 可知2507 阻抗模值比2205 要大，相应其耐腐蚀性能也更好。

图14 2205 与2507 在浓缩海水盐雾试验后电化学bode 图

3 结论

经过点蚀电位测试，同厂家2507 型不锈钢点蚀电位高于2205型不锈钢，日本冶金2507不锈钢点蚀电位最高，相对应耐点蚀性能也是最好的。在基本腐蚀性能试验中2507 型不锈钢表现较好，没有出现局部腐蚀；2205 型不锈钢出现点蚀和缝隙腐蚀，但并未出行应力腐蚀和晶间腐蚀。在模拟服役环境腐蚀性能试验中，两种双相不锈钢试样腐蚀率都较低，力学性能损失较少，2507 型不锈钢阻抗模值比同厂家2205 型不锈钢高。

综上，在模拟环境腐蚀试验中不锈钢腐蚀率都较低，不锈钢是否可以正常服役主要看其在实际服役环境中是否会发生局部腐蚀，根据现有试验数据分析，2507 型不锈钢在腐蚀试验中表现优异，在长期服役条件下一般不会出现局部腐蚀，基本可以达到服役标准，推荐2507 型不锈钢作为冷却塔塔芯部件选材。但实际服役环境中，冷却系统的高温条件能大大提高不锈钢腐蚀速率，发生局部腐蚀的可能性会高于试验模拟，所以要靠长期、多点监测不锈钢的服役情况来保证不锈钢部件正常工作运行。