0Cr23Mo1N奧氏體不銹鋼管的耐點蝕性能研究

 浙江至德鋼業(yè)有限公司通過曲線、動電位極化、循環(huán)極化以及電化學阻抗譜等方法研究了溫度對0Cr23Mo1N奧氏體不銹鋼管在3.5%氯化鈉溶液中耐點蝕性能的影響。結果表明：隨著溫度的不斷升高，高氮鋼的自腐蝕電位和點蝕電位呈下降趨勢，腐蝕電流密度逐漸增大，鈍化膜阻抗降低，高氮鋼鈍化膜的半導體性質在不同溫度下發(fā)生改變，高氮鋼隨溫度的升高點蝕敏感性增大，已發(fā)生點蝕的試樣不能自修復。并與普通316L不銹鋼管進行對比，高氮鋼表現(xiàn)出更加優(yōu)越的耐蝕性。

  隨著國內外原油質量的日益劣化，煉化企業(yè)減壓塔內填料的腐蝕一直嚴重影響減壓蒸餾裝置的安全運行，奧氏體不銹鋼在多種腐蝕介質中具有耐蝕性能好、綜合力學性能優(yōu)良而獲得廣泛的應用，近年來填料材質普遍選擇316L不銹鋼管，但耐蝕性較差、運行周期短等因素一直影響著企業(yè)的正常運行。從安全、可靠、長周期、平穩(wěn)等因素考慮，選擇耐蝕性和經濟效益更優(yōu)越的填料材質具有重要意義。與一般鈍性材料類似，在腐蝕性強的環(huán)境中，奧氏體不銹鋼的主要腐蝕形式是點腐蝕，具有非常大的危害。經研究，不銹鋼中固溶氮時比不固溶氮時點蝕電位向正方向移動，其移動的程度，根據環(huán)境條件，主要受溫度和氯離子濃度的影響。

  浙江至德鋼業(yè)有限公司采用動電位極化曲線和阻抗譜等方法研究了高氮鋼管和316L不銹鋼管在3.5%氯化鈉溶液中不同溫度下的耐蝕性能，并通過循環(huán)極化方法研究了高氮鋼的點蝕敏感性，結合鈍化膜的半導體性能綜合分析了高氮鋼在含氯離子介質中不同溫度下的耐點蝕性能。實驗材料采用實驗室自制的0Cr23Mo1N奧氏體不銹鋼和普通316L不銹鋼管，兩種鋼的化學成分見表。將材料加工成10mm×10mm×4mm的試樣，背面電焊銅導線，用環(huán)氧樹脂將試樣封裝在PVC管中，只露出一個10mm×10mm的工作面。用240#~1500#耐水砂紙打磨、拋光試樣，并用去離子水、無水乙醇、丙酮清洗試樣表面，放入玻璃干燥器中干燥，等待測試。實驗介質采用3.5%氯化鈉溶液（實驗室分析試劑和去離子水配制），溶液溫度由電熱恒溫水浴鍋調節(jié)。電化學實驗部分使用PARSTAT 2273電化學工作站，實驗使用三電極體系：工作電極為自制試樣，輔助電極為石墨電極，參比電極體系由飽和甘汞電極和鹽橋組成。為了除去試樣表面在空氣中形成的氧化膜，測試時首先在-1.3V下將工作電極預極化3 分鐘。在25，45和65℃的3.5%氯化鈉溶液中進行極化曲線測量，首先進行開路電位，掃描速率為0.5 mV/s。交流阻抗測試在自腐蝕電位下進行，在100kHz～10mHz的頻率下，交流擾動電壓為10mV，使用軟件進行數(shù)值擬合。曲線測試頻率為1kHz，電位極化范圍為-0.6～1V，交流信號為10mV。循環(huán)極化實驗電位掃描速度為0.5mV/s，過鈍化后進行回掃，得到循環(huán)極化曲線。每項實驗均進行3次平行電化學測試，以保證實驗的準確性。

  不同溫度下高氮鋼在3.5%氯化鈉溶液中的動電位極化曲線見圖。隨溫度升高，高氮鋼的維鈍電流密度變大，自腐蝕電位和點蝕電位都呈下降趨勢。這主要是兩方面因素影響，一是溫度升高使鈍化膜上的吸附氧脫落變得劇烈，這樣就使電極表面的局部氧還原速度下降，局部pH值下降，鈍化膜的穩(wěn)定性受到影響。二是隨著溫度升高，增強了氯離子運動，加速了與鈍化膜的碰撞，形成可溶性的鹵化物，使點蝕得以發(fā)生，降低了鈍化膜對試樣表面的保護作用。高氮鋼與316L不銹鋼在25℃下3.5%氯化鈉溶液中的極化曲線對比見圖。對兩種材料的極化曲線進行電化學參數(shù)擬合，結果表明：316L不銹鋼管的自腐蝕電位約為-0.262VSCE，而HNSS的自腐蝕電位約為－0.104VSCE，從圖1中還可以看出，陽極極化曲線都出現(xiàn)了鈍化區(qū)，高氮鋼的鈍化區(qū)間顯著大于316L不銹鋼的鈍化區(qū)間，因此，高氮鋼表現(xiàn)出更好的耐蝕性能。

   不同溫度下高氮鋼在3.5%氯化鈉溶液中的曲線見圖，總體上看，溫度越高，高氮鋼的耐蝕性越差，與動電位極化曲線得出的結論相符。25℃時高氮鋼與316L不銹鋼管的阻抗譜對比見圖，可以看出，高氮鋼的容抗弧半徑明顯比316L不銹鋼管大，優(yōu)異的耐蝕性與極化曲線得出的結論相一致。使用等效電路對阻抗譜數(shù)據進行擬合，其中，R代表等效電阻，Q代表常相位角元件。結果表明：鈍化膜電阻Rf，電荷轉移電阻Rct均隨溫度升高而減小，不同溫度下鈍化膜電阻與電荷轉移電阻變化趨勢如圖所示，因此，溫度對高氮鋼的耐蝕性具有很強的削減作用。點缺陷模型中指出，在基體與鈍化膜之間的局部區(qū)域富集金屬離子空穴，鈍化膜生長受到阻礙，破壞了穩(wěn)定鈍化膜生長與溶解的動態(tài)平衡?？梢姡瑴囟肉g化膜的半導體性質以至于對高氮鋼的耐蝕性能都有很大的影響。

  不同溫度下高氮鋼在3.5%NaCl溶液中的循環(huán)極化曲線見圖，在各溫度下（25，45，65℃），回掃的極化曲線都有滯后環(huán)出現(xiàn)，尤其是當溫度為65℃時，在回掃時出現(xiàn)電流密度峰值。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是因為在正掃時試樣表面已經出現(xiàn)了嚴重的點蝕，在點蝕空洞處形成閉塞的酸化區(qū)，繼而導致點蝕繼續(xù)發(fā)展，回掃時電位負移也難以阻止點蝕的進一步發(fā)展，所以才出現(xiàn)了電流密度峰值的現(xiàn)象。由圖可見，隨溫度升高，滯后環(huán)的面積逐漸增大，鈍化膜的自修復能力減弱，點蝕敏感性增加。對于25℃時的試樣，回掃曲線在某一電位與正掃曲線相交，繼而電流密度保持在低于正掃時的電流密度，表明該溫度時試樣表面可重新形成保護性良好的鈍化膜。而對于65℃時或更高溫度，鈍化膜已發(fā)生嚴重腐蝕，很難自修復。將高氮鋼和316L不銹鋼管在35℃溶液中浸泡7天，取出后使用超聲波清洗器除去腐蝕產物，用酒精擦拭吹干后在干燥器中放置24小時，進行失重測試，結果見表，316L不銹鋼在6%FeCl3溶液中的腐蝕速率約是HNS的1690倍。浸泡后的宏觀腐蝕形貌見圖，可以看出，高氮鋼表面仍然光亮，沒有明顯點蝕，而316L不銹鋼腐蝕嚴重，點蝕坑最大直徑達2.34mm，最大深度達2.6mm，平均8/cm2。表明高氮鋼具有更好的耐蝕性。

  隨著溫度升高，高氮鋼的自腐蝕電位和點蝕電位降低，而腐蝕電流密度呈增大趨勢。電化學阻抗譜的測量結果與極化曲線結果相一致，鈍化膜電阻和電荷轉移電阻都隨溫度升高而減小，耐蝕性降低。曲線結果表明溫度對鈍化膜的半導體性質有很大影響。隨溫度升高，曲線擬合直線斜率逐漸變小，載流子密度增加，致使鈍化膜對基體的保護作用隨溫度升高而減弱。循環(huán)極化曲線結果表明：隨溫度升高，鈍化膜的自修復能力減弱，點蝕敏感性增加。浸泡實驗表明316L不銹鋼管的腐蝕速率遠遠大于高氮鋼，高氮鋼的耐蝕性能更加優(yōu)越。高氮鋼的耐蝕性能明顯優(yōu)于316L不銹鋼管，選用高氮鋼替代316L不銹鋼管作為減壓塔填料材質，可有效提高填料的使用周期與設備運行的安全系數(shù)，并且含氮不銹鋼替代含鎳不銹鋼鋼能大大減少企業(yè)的生產成本。從使用性能和經濟效益方面考慮，高氮鋼都是良好的減壓塔填料選材。