基于316L不銹鋼材質的復合濾網(wǎng)腐蝕行為研究

王要偉，楊志鋒，宋泓清，劉峰

（1.中船重工第七二五研究所，河南 洛陽 471023；2.海洋腐蝕與防護科技重點實驗室 中船重工第七二五研究所青島分部，山東 青島 266237）

316L 復合濾網(wǎng)主要用于船舶壓載水系統(tǒng)中的自動反沖洗過濾器，其加工方式是采用316L 多層濾網(wǎng)與316L 骨架網(wǎng)燒結在一起制成的復合濾網(wǎng)，其結構形式見圖1。316L 以其優(yōu)良的耐腐蝕性能，在船舶應用較為普遍，因此對316L 的耐腐蝕性研究也較為廣泛。張鳴倫等[1]通過極化曲線、交流阻抗和循環(huán)伏安曲線研究了316L 在不同Cl-濃度下的腐蝕變化情況；段振剛[2]研究了溶液溫度及溶氧量對316L 不銹鋼腐蝕行為的影響；張銘顯[3-4]研究了316L 奧氏體晶粒組織和晶界等微觀結構對其力學性能和抗腐蝕性的影響；孫兆棟[5]通過對316L 不銹鋼在天然海水中陰極極化規(guī)律并研究了采用電化學法控制局部腐蝕等。以上研究只針對316L 塊狀材料本身進行研究，但是針對316L 多層濾網(wǎng)和316L骨架網(wǎng)的腐蝕行為少有提及。因此對316L 多層濾網(wǎng)、316L 骨架網(wǎng)和316L 成品濾網(wǎng)的腐蝕行為進行研究，以期預測濾芯使用壽命并確定維護周期。

圖1 復合濾網(wǎng)截面結構示意圖

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料選用316L 奧氏體不銹鋼，其中多層濾網(wǎng)和復合網(wǎng)通過燒結完成，其原理為真空擴散焊接，即在高度真空狀態(tài)下，對放置在真空加熱腔的多層濾網(wǎng)均勻施加壓力，使各層濾網(wǎng)有效接觸，并通過加熱，加快原子的相互擴散，實現(xiàn)各層濾網(wǎng)的擴散連接。根據(jù)其結構形式，共分為5 大類試樣，其結構形式見圖2。

圖2 316L 不同結構試樣

其中主濾網(wǎng)、保護網(wǎng)和加強網(wǎng)編織型式相同，目數(shù)分別為254、30 和20，結構組成見表1。試樣用砂布打磨，表面無刻痕和麻點，保證表面光潔和無腐蝕，打磨后采用蒸餾水沖凈，再用酒精去油。

表1 316L 濾網(wǎng)不同結構組成形式

1.2 試驗方法

1.2.1 不銹鋼點蝕電位

分別對316L 成品、316L 多層濾網(wǎng)和316L 骨架網(wǎng)進行點蝕電位試驗，試樣大小為100 mm×20 mm，試驗方法依據(jù)標準為GB/T 17899—1999《不銹鋼點蝕電位測量方法》，將試驗溶液(青島海域天然海水)加熱至試驗溫度并在恒溫槽保溫，試驗溫度為（30±1）℃。測量前向溶液中通人純氮或純氧（純度不低于 99.99%）進行30 min 的預除氧。試驗過程中保持對溶液連續(xù)通氣，通氣速度按每升試驗溶液約 0.5 L·min-1控制。把經(jīng)過最終打磨試祥的試驗面全浸于溶液中，試樣的試驗面完全浸在溶液液面下約l cm，放置約 10 min 后，從自然電位開始，以電位掃描速度 20 mV·min-1進行陽極極化。

測試設備為2273 電化學綜合測試系統(tǒng)，采用三電極體系，其中參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為Pt 電極，工作電極為不銹鋼濾網(wǎng)試樣。試驗中記錄陽極化曲線上對應電流密度為10 μA·cm-2和100 μA·cm-2的電位中最正點電位值，即為點蝕電位E’b10和E’b100。

1.2.2 不銹鋼點蝕電位

試驗方法依據(jù)標準為GB/T 17897—1999《不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》。

用純鹽酸和去離子水配制成0.05 mol·L-1(即稀釋約 245 倍)的鹽酸溶液，將純三氯化鐵（FeCl3·6H2O）100 g 溶于900 mL 0.05 mol·L-1鹽酸溶液中，配制成6%三氯化鐵溶液。

將配制的三氯化鐵溶液倒入試驗容器中，將試驗容器放入恒溫槽中，加熱至（35±1）℃，將試樣放到溶液中的支架上，連續(xù)進行浸泡。

點蝕加速試驗采用6 個316L 成品試樣，試樣大小為30 mm×20 mm。試驗前對試樣進行打磨、清洗，保證表面光滑、光亮且無腐蝕。試樣分成2 組，每組3 個，分別進行24 h 和72 h 點蝕加速試驗，試驗前試樣表面形貌見圖3、圖4。試驗結束后，取出試樣按照GB/T16545 中規(guī)定的方法，清除試樣上的腐蝕產(chǎn)物，洗凈，干燥后稱重，拍照等。

圖3 316L 成品試樣-骨架面

圖4 316L 成品試樣-濾網(wǎng)面

1.2.3 電偶腐蝕

濾網(wǎng)成品是由同種材料不同結構組合而成，可能存在電偶腐蝕現(xiàn)象，因此對濾網(wǎng)成品試樣進行電偶腐蝕試驗。電偶腐蝕試驗方法依據(jù)標準GB/T 15748—2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》,試驗設備為多區(qū)電化學綜合測試系統(tǒng)（十六通道）Biologic VMP3。其中參比電極為飽和甘汞電極，多層濾網(wǎng)和骨架網(wǎng)作為偶對，尺寸150 mm×30 mm，每對偶對試樣平行相對，間距30mm，試樣浸入水下部分120 mm×30 mm，露出水上部分用于連接電化學工作站。

根據(jù)上述試驗方法的要求，最終確定試驗方案見表2。

2 結果與討論

2.1 點蝕電位

2.1.1 點蝕測試曲線

不銹鋼耐蝕性主要來自表面Cr 氧化形成的鈍化膜，鈍化膜的形成過程影響膜的質量，從而影響其耐腐蝕能力。因此在測試點蝕電位和擊穿電位的同時，需要對鈍化過程進行分析。

表2 試驗方案

圖5-圖7 給出了316L 骨架網(wǎng)、成品和濾網(wǎng)材料的點蝕測試曲線。

圖5 316L 骨架網(wǎng)試樣的點蝕測試曲線

圖6 316L 成品網(wǎng)試樣的點測試曲線

圖7 316L 多層濾網(wǎng)試樣的點蝕測試曲線

從圖中可以看出，316L 骨架網(wǎng)的鈍化區(qū)間紅色線區(qū)域，θ約為90o，316 成品的鈍化區(qū)間紅色線區(qū)域，θ約為80o，表明鈍化過程中，隨著電壓增大，腐蝕電流基本不增大或增加幅度小，鈍化效果較好。316L 多層濾網(wǎng)的鈍化區(qū)間紅色線區(qū)域，θ約為60o～70o，鈍化過程中電流波動較小。

2.1.2 點蝕電位

按照標準GBT 17899—1999《不銹鋼點蝕電位測量方法》中第7 條，從圖 5-圖 7 點蝕電位測量曲線上分別取10 μA·cm-2、100 μA·cm-2對應的電位，確定為點蝕電位，如表4所示。

表3 試樣的點蝕電位值

從表3 可知，擊穿電位排序為：316L 骨架網(wǎng)>316L 成品網(wǎng)>316L 多層濾網(wǎng)，點蝕電位排序為：316L 骨架網(wǎng)>316L 成品>316L 多層濾網(wǎng)。因此可以看出：骨架網(wǎng)的耐點蝕能力較高，其次是成品，最低的316L 多層濾網(wǎng)。

2.2 點蝕加速

取3 組試樣進行24 h 點蝕加速試驗，通過對濾網(wǎng)24 h 加速腐蝕后的形貌照片看，骨架網(wǎng)與濾網(wǎng)均未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象及腐蝕產(chǎn)物。

取另外3 組進行72 h 點蝕加速試驗，濾網(wǎng)72 h加速腐蝕后骨架面和濾網(wǎng)面形貌見圖8-圖15。從圖8 中可以看出，3 組平行試樣骨架面表面均出現(xiàn)明顯的點蝕坑，甚至斷裂，對明顯的腐蝕坑和斷裂處進行微觀分析，如圖9-圖11所示，有2 處骨架試樣4、試樣6 完全斷裂，最大尺寸超過2 600 μm（試樣6）。從圖 12 看出，濾網(wǎng)表面均出現(xiàn)腐蝕斷裂，對圖中標記位置進行微觀分析，如圖13-圖15所示，濾網(wǎng)外層均出現(xiàn)斷裂，主濾網(wǎng)也發(fā)現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

圖8 點蝕加速72h后形貌-骨架面

圖9 試樣4 骨架面微觀形貌

圖10 試樣5骨架面微觀形貌

圖11 試樣6 骨架面微觀形貌

圖12 點蝕加速72h 后形貌-濾網(wǎng)面

圖13 試樣4濾網(wǎng)面微觀形貌

圖14 試樣5 濾網(wǎng)面微觀形貌

圖15 試樣6濾網(wǎng)面微觀形貌

點蝕加速腐蝕的失重數(shù)據(jù)如表3所示，從表中可以看出隨著加速時間的延長，濾網(wǎng)材料的失重增加。結合腐蝕形貌分析，試樣中骨架面腐蝕程度相對于濾網(wǎng)面更嚴重。

表4 不銹鋼濾網(wǎng)加速腐蝕失重記錄

2.3 電偶腐蝕

將試樣316L 骨架網(wǎng)（316g）和316L 多層濾網(wǎng)（316l）浸泡到含有天然海水中的試驗裝置，浸泡時間為20 天，分別測量其開路電位、偶合電位和偶合電流，見圖16-圖19。

圖16 試樣316g1-316l1 開路電位變化圖

圖17 試樣316g2-316l2 開路電位變化圖

圖18 試樣316g3-316l3 開路電位變化圖

圖19 電偶對316G-316 偶合電流變化圖

從圖中看出316濾網(wǎng)的開路電位高于316骨架，其偶合電位居于二者之間，表明二者組成電偶對中，316 濾網(wǎng)作為陰極被保護，316 骨架作為陽極加速腐蝕。從圖21 看出偶合電流為正表示電流由316 骨架網(wǎng)流向316 濾網(wǎng)，偶合電流處于0.5～2 μA。

3 結論

通過對316L 不銹鋼濾網(wǎng)材料及成品進行點蝕電位、點蝕加速和電偶試驗，得到以下結論：

1）通過點蝕電位曲線和點蝕電位測量，不同結構耐點蝕能力有強到弱依次為316L 骨架網(wǎng)、316L成品濾網(wǎng)和316L 多層濾網(wǎng)，點蝕電位E’b10分別為190 mV、132 mV 和86 mV。

2）316L 成品濾網(wǎng)作為316L 骨架網(wǎng)和316L 多層濾網(wǎng)的燒結到一起的結構，在點蝕加速試驗和電偶試驗中，316L 骨架作為陽極加速腐蝕，316L 多層濾網(wǎng)面被保護。

3）在實際工程應用中，316L 成品中由于316L骨架作為陽極加速腐蝕，因此其壽命預估不僅要考慮316L 多層濾網(wǎng)腐蝕造成過濾精度失效，同時應該考慮316L 骨架網(wǎng)腐蝕引發(fā)強度降低而造成濾芯壓潰。