不锈钢在海水中的耐蚀性与腐蚀电位的关系
2022-06-01
1 前言
关于不锈钢海水腐蚀电位的文献较多[1,2,3,4], 但至今未见研究不锈钢海水腐蚀电位与耐海水腐蚀性关系的报道。本工作进行了5种不锈钢在青岛、舟山、厦门和榆林4个试验站的海水中暴露4年的试验。并测量了7种不锈钢在4个试验站浸泡180天的海水腐蚀电位。本文报告不锈钢在海水中的腐蚀结果和腐蚀电位特性， 并讨论不锈钢在海水中的耐蚀性与其腐蚀电位的关系。
2 试验材料和方法
试验材料为7种不锈钢， 包括马氏体、铁素体、奥氏体和铁素体-奥氏体双相不锈钢。它们的组织和主要化学成分列于表1。试样均取自供货状态的板材， 试样保持原轧制表面。暴露试验试样尺寸为200×100mm。试样投放在海水全浸区， 试验方法符合国家标准GB5776-86。腐蚀电位测定试样尺寸100×30mm, 工作尺寸70×30mm, 每种材料3个平行样。试样制备及表面油污处理符合国家标准GB5776-86。试样与防水导线焊接， 用环氧树脂浇灌焊线端， 固定在试验框内。框四周包围180目尼龙网， 避免试样表面生长宏观海生物。试样浸泡在水下0.5m处。以Ag/AgCl电极作参比电极。浸泡1、5、10天各测一次电位， 以后每10天测一次， 连续测量180天。
试验在青岛、舟山、厦门和榆林4个试验站同时进行。4个试验站的主要海洋环境因素列于表2。
Table 1 Category and main compositions of stainless steels tested
Table 2 Environmental factors of seawater at four test sites （annual average）
3 试验结果和讨论
试验的不锈钢中， 对2Cr13、F179、1Cr18Ni9Ti、00Cr19Ni10和000Cr18Mo2这5种钢样在青岛、舟山、厦门和榆林进行了1、2、4年的海水浸泡腐蚀试验。结果表明， 5种不锈钢在4个试验站的耐蚀性优劣顺序完全相同， 依次为000Cr18Mo2、00Cr19Ni10、1Cr18Ni9Ti、F179、2Cr13, 但在青岛腐蚀较轻， 在榆林腐蚀较重。表3给出了不锈钢在青岛和榆林的腐蚀结果。在青岛， 2Cr13浸泡3个月已溃烂穿孔；F179有严重的沟槽腐蚀， 浸泡1年已经穿孔；1Cr18Ni9Ti浸泡2年后发生隧道腐蚀， 并已穿孔；00Cr19Ni10暴露4年时发生隧道腐蚀， 并出现穿孔；000Cr18Mo2腐蚀较轻， 暴露4年的最大点蚀深度为0.25mm。而在榆林， 2Cr13浸泡3个月也已穿孔， F179、1Cr18Ni9Ti和00Cr19Ni10浸泡1年后都穿孔， 000Cr18Mo2暴露4年的最大点蚀深度为2.03mm。由平均腐蚀率 （由腐蚀失重算出） 也可看出它们的耐蚀性差别。
不锈钢在4个试验站的腐蚀电位随时间的变化有相同的特性。不同不锈钢开始浸泡的腐蚀电位 （初始电位） 相差较小， 如在青岛、榆林初始电位最大相差约为0.35V, 在舟山、厦门约为0.1V;随时间延长， 不锈钢的腐蚀电位向正负不同的趋势变化， 使腐蚀电位之间的差异变大。2Cr13、F179的腐蚀电位向负的趋势变化， 316L、HRS-3的腐蚀电位向正的趋势变化， 其他不锈钢的腐蚀电位变化趋势不明显， 如图1和表4所示。这与文献上的不锈钢海水腐蚀电位-时间曲线的变化趋势一致[1,2,3]。
Table 3 Corrosion data of stainless steels in seawater at Qingdao and Yulin
Note: ①OT= Original thickness of sample ②2Cr13 immersed in seawater for 3 month, cankerously perforated.③P=Perforation.
Fig.1 Corrosion potential-time curves for stainless steels in seawater -◇-2Cr13;-○-1Cr18Ni9Ti;-□-000Cr18Mo2;-*-HRS-3;-×-F179;-+-00Cr19Ni10-△-316L
不锈钢在海水中浸泡一段时间后， 腐蚀电位趋于稳定。在4个试验站2Cr13的电位稳定时间小于40天， 而316L、HRS-3的电位稳定时间为80～120天。稳态腐蚀电位的波动情况各钢种也不同。如在青岛浸泡的2Cr13的稳态电位波动范围约为0.02V, F179、000Cr18Mo2、1Cr18Ni9Ti和00Cr19Ni10的电位波动范围为0.04～0.06V, 而316L、HRS-3为0.11V。与在实验室中获得的腐蚀电位相比[2,3], 在实海中的稳态腐蚀电位波动较大， 电位趋于稳定所需时间较长。
表4给出了不锈钢在4个试验站的稳态腐蚀电位 （平均值） 和初始电位数据。在同一试验站， 不锈钢间的海水稳态腐蚀电位相差很大。在4个试验站都是2Cr13的稳态腐蚀电位最负， 为-0.41～-0.52V （SCE, 下同） ;HRS-3最正， 为+0.40V～+0.35V （在厦门为+0.06V） 。在青岛、舟山和榆林2Cr13与HRS-3的稳态电位相差0.8V以上。在厦门相差较小， 为0.47V。
Table 4 Corrosion potential of stainless steels in seawater （V, Ag/AgCl ）
同种不锈钢在不同试验站的稳态腐蚀电位值也有差别， 2Cr13、F179、1Cr18Ni9Ti、00Cr19Ni10、000Cr18Mo2、316L、和HRS-3的最大差别依次为0.11、0.07、0.14、0.15、0.22、0.43和0.34V。
尽管各种不锈钢在4个试验点的稳态腐蚀电位值有差别， 但它们在4个试验点的稳态腐蚀电位顺序相同 （只有榆林的316L例外） 。由负到正依次为2Cr13、F179、1Cr18Ni9Ti、00Cr19Ni10、000Cr18Mo2、316L和HRS-3。试验不锈钢在各站的初始电位顺序不同， 但与稳定腐蚀电位的顺序基本一致。
上述电位测试结果表明， 所试验的不锈钢在海水中的钝化能力以HRS-3为最强， 316L次之；钝化能力最弱的是2Cr13, 其次是F179;1Cr18Ni9Ti、00Cr19Ni10、000Cr18Mo2的钝化能力居中。钝化能力强的钢种其稳态腐蚀电位较正， 但在本试验中， 电位趋于稳定的时间较长， 且波动较大。
这一钝化能力顺序与已知的铬、镍、钼、碳元素对不锈钢的钝化能力的影响规律一致。
前文所述， 进行浸泡试验的5种不锈钢在4个试验站的耐蚀性优劣顺序为000Cr18Mo2、00Cr19Ni10、1Cr18Ni9Ti、F179、2Cr13。据文献报道， 316L的耐海水腐蚀蚀性好于00Cr19Ni10及1Cr18Ni9Ti等[5];而双相不锈钢HRS-3在海水中耐蚀性好于316L及000Cr18Mo2[2,6]。因而所试验钢种在海水中的耐蚀性优劣顺序为HRS-3、316L （或000Cr18Mo2） 、00Cr19Ni10、1Cr18Ni9Ti、F179、2Cr13。
很明显， 不锈钢的稳态腐蚀电位与耐海水腐蚀性有好的对应关系。不锈钢在海水中的稳态腐蚀电位较正， 其耐蚀性较好；稳态腐蚀电位较负， 其耐蚀性较差。这也与不锈钢在海水中的腐蚀电位变化趋势相符。对不锈钢等钝化材料来说， 腐蚀电位向负变化， 如2Cr13、F179, 表示钝化膜遭到破坏， 发生腐蚀， 耐蚀性差；而腐蚀电位向正变化， 如HRS-3, 表示钝化膜稳定性增强， 耐蚀性好[2]。不锈钢在海水中的稳态腐蚀电位与耐蚀性关系具有重要意义， 它表明， 测定不锈钢海水稳态腐蚀电位能确定它们在海水中的相对耐蚀性。
4 结论
1） 钝化能力强的不锈钢的海水腐蚀电位随浸泡时间向正变化， 其腐蚀电位趋于稳定的时间较长， 稳态腐蚀电位的波动较大；钝化能力较弱的不锈钢则相反。
2） 不同钢种的不锈钢在海水中的稳态腐蚀电位可以相差很大， 在青岛、舟山和榆林， 2Cr13和HRS-3间的稳态电位相差0.8V以上。
3） 不锈钢稳态腐蚀电位的正负顺序与其耐海水腐蚀性的优劣顺序一致。不锈钢在海水中的稳态腐蚀电位较正， 其耐蚀性较好；稳态腐蚀电位较负， 其耐蚀性较差。测定不锈钢海水稳态腐蚀电位能确定它们在海水中的相对耐蚀性。
