高流速海水中金屬材料的腐蝕行為.docxVIP

1、蜥牌語(yǔ)Mhirn'/.'wwwrnvin中國(guó)腐濁與防護(hù)學(xué)報(bào)JOURNALOFCHINESESOCIETYOFCORROSIONANDPROTECTION中國(guó)腐濁與防護(hù)學(xué)報(bào)JOURNALOFCHINESESOCIETYOFCORROSIONANDPROTECTIONVc!.12.No.2JuneJ992廣頃高流速海水中金屬材料的腐蝕行為朱相榮戴明安"陳振進(jìn)楊朝暉梁采鳳丁（7廠（鑰狹研究總睨青島海洋腐蝕研究所）一、前言金屬材料在自然海水中的腐蝕數(shù)據(jù)通常是在自然海流0.1-1米/秒）條件下獲得的，但濱海的電站、石油、化工系統(tǒng)中的高流速管道、泵、熱交換器、閥門(mén)以及高速艦船中的

2、管道以至船體等都處在較高流速（53。米/秒）海水的環(huán)境中。因此，各國(guó)相繼開(kāi)展了高流速海水中金屬腐蝕的研究口吼我國(guó)在這方面的工作不多。本工作采用管道式高流速海水回路系統(tǒng)首次對(duì)部份國(guó)產(chǎn)金屬材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。黑色金屬以船用碳鋼、三種海洋用低合金鋼和lCrl8Ni9不銹鋼為代表，有色金屬選用鋁合金、白銅以及TC4鈦合金等。研究海水流速對(duì)這些材料腐蝕率的影響，并在不同流速的海水中測(cè)定電化學(xué)參數(shù)，進(jìn)而探討它們的電偶腐蝕情況。二、試驗(yàn)方法1.試樣試饗材料的化學(xué)成份見(jiàn)表I。試祥尺寸為67*30X3mm,并選取5組面積比為1:I的電偶對(duì)。因試驗(yàn)段尺寸所限，測(cè)試各流速下的腐蝕率時(shí)每次放入2個(gè)平行樣，電偶對(duì)平行樣3

3、對(duì)。2. 管道式高流速海水試驗(yàn)迥路該網(wǎng)路系統(tǒng)是根據(jù)冶金部新材料處及“低合金鋼、合金鋼技術(shù)開(kāi)發(fā)”（7528）項(xiàng)目的要求建立的。能獲得較高的流速，操作簡(jiǎn)單、易控。該回路示意圖見(jiàn)圖L在主控制箱上裝有壓力和溫度自動(dòng)測(cè)試儀，并裝有流量計(jì)，記錄岬時(shí)的和累積的流量.以便計(jì)算流速。海水溫度在2632C,pH8.2,溶氧彖為5.6m】/L,鹽度3.2%。該回路共有四個(gè)不同流速的試驗(yàn)段，本工作選用的流速為3米/秒、7.5米/秒和II米/秒。試樣用工程塑料夾具夾緊，在夾具的迎水端裝一片與試樣尺寸相同的尼龍片，以阻止水對(duì)最前端試樣的沖擊。然后，將夾具推入各試驗(yàn)段中，海水的流動(dòng)方向與試片平行。經(jīng)25天（每天開(kāi)8小時(shí)，停

4、16小時(shí)）后測(cè)定試樣的腐蝕量。高流速海水中電化學(xué)參數(shù)的測(cè)試是在回路連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)24小時(shí),溫度為10C的條件下進(jìn)行的。-國(guó)家自然科學(xué)基金資助課題】990年12月26日收判】99】年4月26日收到峰改稽.Table1ChemJcalcompcsitjonsoftestmaterialsMcCuCrMnMoNiNbPSS1VZnFe3C<0.030.13<0.09<0.030.73<0.05<0.100.018<0.030.26<0.03bel.IDCrMoAJ0.570.0750.940.470.270.0140.0090.31bal.9450.1350.67

5、1.0220.080.620.035baJ.09MnNb0.110.260.0211.21一0.030.0260.0170.38bal.1O18N19<0.1218.5<2.09.0<0.045<0.03<0.80biJ.B300.02bel.0.4030.04Pb<0.02a35TC45.960.018N0.003H0.008O0.033bal.0.09LF2s一0.100.25Ms2.40n0.100.260.35Zn-Al-Cd0.45Cdaos0.005一一0.006一0.126bftj.0.006HSn62151.4Sn0.8

6、9Pb0.oo«P0.03碩.0.01i.不同流速海水中的JB蝕率試驗(yàn)材料在不同流速海水的腐蝕率數(shù)值列于表2,它們?cè)趯?shí)海（肯島小麥島海區(qū)），海流速度0.1米/秒）中經(jīng)一年全浸的腐蝕率數(shù)據(jù)則列于表3.對(duì)照表2和表3的數(shù)據(jù)可看到，各種金屬材料在各流速中的腐蝕率，除個(gè)別情況（低速段UF2和B30）外,均比實(shí)海中腐蝕率大好多倍.雖然不銹鋼在各流速段的腐蝕率大，怛不出現(xiàn)點(diǎn)蝕.Table2Corrosionratesofmetalsinseawateratdifferentvelocitise（mm/atimeS52.TC42.557.S)0】2.5Velociiyof»eawater

7、(m/»)Fig.2Thevariationofcorrosionrateofcarbonandlowalloysteelswithvelocityofsea-2.557.S)0】2.5Velociiyof»eawater(m/»)Fig.2Thevariationofcorrosionrateofcarbonandlowalloysteelswithvelocityofsea-2.S57.S1012.SVelocityofseawater(m/*)Fig.3Thevariationofcorrosionrateof!Crl8Ni9s.s.andsomenonfe

8、rrousperiodc25days)3C94S09MnNblOCrMoAlLF2TC4!Crl8Ni9B30(3m/。0.7200.S970-7570.4970.00800.0290.011(7.5m/)1.3630.8601.6530.6070.06600.0330.027(llm/s)1.9031.3432.4330.9600.26000.0700.058Table3Totalimmersioncorrosionrates(mm/a)ofmetalsinnaturalseawaterforoneyear(velocity,0.Im/s)3C94509MnNblOCrMoAlLF2TC4l

9、Crl8Ni9B300.1830.157(3Mon.)0.1830.1260.01S00.008(Pitting)0.02water.metalswithvelocityofseawater.將表2數(shù)據(jù)分別作出圖2和圖3可看出這幾種金屬材料的腐蝕率隨流速的變化具有不同的規(guī)律：（1）3C和09MnNb鋼的腐蝕率隨流速呈直線(xiàn)上升。（2）10CrMoAl和945鋼的腐蝕率與流速呈曲線(xiàn)關(guān)系,且曲線(xiàn)形狀幾乎相同.（3）lCH8Ni9的腐蝕率隨流速增高稽稽增加。（4）LF2和B30的腐蝕率開(kāi)始變化不大，流速到達(dá)某一值后急劇增加,增加的幅度各不相同.（5）TC4在此流速范圍內(nèi)腐蝕率沒(méi)有變化.2.不同海水流返

10、下的電化學(xué)參敷（1）不同海水流速下的金屬腐蝕電位：在室內(nèi)平靜海水及青島小麥島海區(qū)（。lm/s的海流）中掛片條件下測(cè)得的金屬腐蝕電位值列于表4?？梢钥闯?，除1CH8N19鋼外，其余材料在o.lm/s海水中的腐蝕電位都稍正。Tabel4Freecorrosionpotentialofmetalsinseawater(V,vs.seawaterAg/AgClelectode)圖為金屬材料在高流速海水試驗(yàn)回路中所測(cè)得的自腐蝕電位變化情況。隨海水流速增加，由于氧擴(kuò)散加劇，使Zn-Al-Cd和945鋼的自腐蝕電位向正方向移動(dòng)。lCr18Ni9和HSn62-1在一定流速時(shí)向負(fù)方向移動(dòng)系因素面膜局部破壞；流速

11、進(jìn)一步增加又向正向移動(dòng)，則因氧擴(kuò)散進(jìn)一步加劇使表面膜自行修復(fù)所致。2）不同海水流速下的電偶腐蝕：在不同海水流速下所瀾得的電偶腐濁的電流數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。相應(yīng)條件下電偶對(duì)中陽(yáng)極材料的自腐蝕電流值見(jiàn)表6,而陰極材料在此條件下的失重值見(jiàn)208642«1Ioooo_oucA)_.9-§£Zn-Al-Q5Sn62lCr【8Nil9036912Velocityofieawater<m/»)表7。Fig.4TheinfluenceofvelocityofseawateronMetalInquietseawater(25C.aweek)In0.Im/sseawater.

12、30Days)Zn-Al-Cd-1.08一1.053C一0.73一0.65945-0.690.62HSn62-l-0.25-0.21B30-0.17-0.16!Crl8Ni9一004-0.13TC4+0.09+0.29potentialofmetals(10,C)Table5Galvaniccurrentinseawateratdifferentvelocities(yA/cm-)(Temperature10'C,Timc24h,Arcaratio1tI)MetalVelocity(m/s)06.38.810.410.511.1945/HSn62-l28.7315.8

13、284.3381.4389.3945/lCrl8NJ927.8141.5132.9178.5255.8945/TC425.3113.8136.9194.9256.2Zn-Al-Cd/94562.5435.2682.31240.72608.2Table6Freecorrosioncurrentofanodematerialofcoupleintable5inseawateratdifferentvclocitics(nA/cm2)Om/s3m/s7m/s*11m/s94515.64113.9.1I577-171.3Zn-Al-Cd17.9«1.2241.8449.3Table7Weig

14、htlossofcathodematerialsofcoupleintable5inseawateratdifferentveocitie«(mg/ctn2)0m/»3tn/t7m/«llm/»9450.120.090.13HSn62-l-2JO18N19-000TC4000從表5看，以945鋼為陽(yáng)極的三個(gè)電偶對(duì)，零速時(shí)的電偶電流幾乎相同而與陰極材料無(wú)關(guān)，呈典型的挈:擴(kuò)散速度控制，當(dāng)流速增加時(shí)，盡管電流的增長(zhǎng)率不太大但都比零速時(shí)大數(shù)倍。對(duì)于以Zn-Al-Cd為陽(yáng)極的電俱對(duì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)流速增加時(shí)，電偶電流增長(zhǎng)率及數(shù)值（比零速時(shí)數(shù)倍敗十倍）

15、均顯著增加.而此時(shí)陰極材料945鋼的失重值（表7）幾乎不增加,可見(jiàn)高流速海水中仍可用犧牲陽(yáng)極來(lái)保護(hù)鋼鐵材料。不過(guò)所需保護(hù)電流與流速的變化關(guān)系極大，犧牲陽(yáng)極的消耗量隨流速而增加，應(yīng)予高度重視.對(duì)照表5、表6還可看到不同電偶對(duì)的電偶效應(yīng)（電偶電流與電偶對(duì)陽(yáng)極材料的自腐蝕電流之差）順序?yàn)镠Sn62-llCrl8Ni9=TC4。這一結(jié)果表明鈦合金的電偶效應(yīng)并不大。3、高流速海水中云蝕產(chǎn)物的形I*及站構(gòu)經(jīng)連續(xù)試驗(yàn)后，碳鋼和低合金鋼在零速海水中的脂蝕產(chǎn)物疏松，色深暗；在流速3m/s時(shí),呈流水狀腐蝕線(xiàn)條。當(dāng)流速6m/s時(shí)，由于動(dòng)海水沖刷使筑層脫落，表面上只見(jiàn)到均勻分布的小銹點(diǎn)。當(dāng)流速10m/s時(shí)，附在試樣表

16、面上的腐蝕產(chǎn)物更少，只見(jiàn)銹跡，并顯塔出金屬光澤，顯示了高流速海水的沖刷作用。這一結(jié)果與PerHns®的觀察結(jié)果相吻合考成到212.5m/s的流速將有空港腐蝕的可能性，故未進(jìn)行試驗(yàn)。lCrl8Ni9和B30在低速和高速下均未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物附著.LF2在低速段有白色牖蝕產(chǎn)物和粘泥結(jié)合的一層膜，在高速段無(wú)腐蝕產(chǎn)物附著，呈現(xiàn)光滑而光亮的表面。這一現(xiàn)象與George的鋁合金的觀察相類(lèi)似.對(duì)碳鋼和低合金鋼經(jīng)24小時(shí)高流速海水腐蝕后的隋蝕產(chǎn)物進(jìn)行X-射線(xiàn)衍射分析，結(jié)果表明含有y-FcOOH,Fs。、HzO.aFetO,及各種快鹽如FeaFe2（SO4）t（OH）27H2O未見(jiàn)F.Ol可見(jiàn)高流速海水中鋼

17、快我面銹層主要為Fe，+的化合物Y-FeOOH及Fe2O8.這與近年來(lái)我們對(duì)鋼鐵材料在海水中鐫層結(jié)構(gòu)產(chǎn)物分析所得的靖果（為FeQ,、eFeOOH.3-FeOOH和丫.FeOOH）有較大的不同。應(yīng)該指出，若鋼鐵材料間斷地在不同流速的海水中試驗(yàn)時(shí)，所得崩蝕產(chǎn)物的形貌和結(jié)御則與上述結(jié)果有所不同，產(chǎn)物中將含有FeQ.,四、討論1.海水流速與腐蝕率的關(guān)系根據(jù)管道中溶液流型的判據(jù)（雷諾數(shù)隊(duì)=獸），計(jì)算出水溫在30C時(shí)，管道系統(tǒng)的高速（llm/s）、中速（7.5m/s）、低速（3m/s）段中的Re分別為6.7X】05.6X103.5X10s,其值遠(yuǎn)大于2300,各流速段均為完全湍流區(qū).若材料的腐蝕速度受溶解

18、板的擴(kuò)散速度控制，則流速越大，擴(kuò)散層厚度便越小，草的極限擴(kuò)散電流密度就越大，腐蝕速度也就越大（如圖5中的&）圖2中的09MnNb和3C銅即屬于這種情況.圖2中945和lOCrMoAl鋼的腐蝕率隨流速增嵩開(kāi)始較慢，然后越來(lái)越快.這是由于這兩種材料在內(nèi)銹層中富集了Cr.Ni.AJ等元素，并生成難溶您沉積于內(nèi)銹層，起阻擋作用，故在低流速下腐蝕率增加慢.當(dāng)流速增大后沖刷作用加強(qiáng)，使銹層部份剝落，從而腐蝕率怏速增加.如圖5中的bo若在低流速環(huán)境中材料的保護(hù)膜有抑制腐蝕作用，流速增加到一定程度時(shí)，保護(hù)膜受沖刷而被破壞，腐蝕率便急劇增加，也屬于這種情況，如圖3中的LF2和B30.第三種情況如圖3中T

19、C4和lCrl8Ni9的情況，在高流速場(chǎng)合氧的供應(yīng)快速充分，使鈦合金及不銹鋼的表面膜比在平粉海水中成長(zhǎng)得快而牢固，材料處于飩化狀態(tài)，故流速變化對(duì)腐觸率的影響不大（圖5中的c）,而且不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)做.能安全地用于高流速海水中.2.關(guān)于電偶效應(yīng)VelodtyofteawaterFig.5Schematicvariationofcorrosionratewithseawatervelocity.根據(jù)金屬在海水中的電位序，視偶對(duì)的電位菱大小來(lái)判斷電俱腐蝕，只是一種熱力學(xué)可能性，而實(shí)際的電偶腐蝕程度大小如何，還要看這兩種金腐本身的極化性能或俱合后的極化行為.我們以前曾指出過(guò)，欽合金在天然海水中和熱海水中的電

20、偶效應(yīng)不大，是由于鈦合金有較大的氧還原超電勢(shì)"在本工作的高流速海水中，盡管氧的擴(kuò)散加劇，而且TC4在表4中的自腐蝕電位值均比其他金腐正，但同樣出現(xiàn)TC4的電偶效應(yīng)反而小于其他兩種材料的狀況-這同樣可能因?yàn)樽龊辖鹪诟吡魉俸Ｋ畻l件下具有高的氧還原超電勢(shì)的緣故。3. 關(guān)于志海建海水中金的腐蝕機(jī)理對(duì)于腐蝕機(jī)理，本工作未作詳細(xì)研究,僅由破鋼鐫層形貌和結(jié)枸來(lái)探討它在古廉速海水中的腐蝕過(guò)程。本工作結(jié)果巳指出，低速時(shí)銹層硫松，色深，流速增加時(shí)銹層減少，銹色變淺，在流速llm/8時(shí)只見(jiàn)到少銹跡,且呈均勻腐皺。銹層中主夏的組份為Y-FeOOH,aFe103.這說(shuō)明鋼快在胃流速海水中的腐蝕過(guò)程與它在平靜海

21、水中的腐蝕歷程有差別，可能由于高速海水促進(jìn)了氧的擴(kuò)散輸送，使二價(jià)佚很快地氧化成三價(jià)鐵，故未能見(jiàn)到Fe6.在更高流速下由于幾乎沖刷掉各種鐫跡而呈現(xiàn)出均勻的全面腐蝕并有一個(gè)光亮的表面.可以說(shuō)這是由流動(dòng)海水沖劇的力學(xué)機(jī)理所致.COBasfl.J.L,Re*eaichandDevelopmentReport910160ANEES(I96012)TheIntemationftlNidceTbLaqueCenter£orCorrcskmTechnolcgyReport.(1987)m山下桂一防IT技術(shù)，18(5).206(1968)C4)廉科平八,火力原子發(fā)電M(2),42(1975)C53Le

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23、1988)m朱相榮，鄒中堅(jiān).陳振進(jìn).朱n.海洋科學(xué).No.6,P.29.(1988)CORROSIONBEHAVIOUROFMETALLICMATERIALSINHIGHVELOCITYSEAWATERZtexXianffmmDcdMinganChenZhenjinfYangZhaotnnandLkangCaifeng(CWroZIronandSteelResearchInstitutetQingdaoResearchfnstitiiteforMarineCorrosion)AbstractByusingtubulartestloopforcorrosioninhighvelocityseawater,thepotentialandco