高流速海水中金属材料的腐蚀行为.docx

1、蜥牌语Mhirn'/.'wwwrnvin中国腐浊与防护学报JOURNALOFCHINESESOCIETYOFCORROSIONANDPROTECTION中国腐浊与防护学报JOURNALOFCHINESESOCIETYOFCORROSIONANDPROTECTIONVc!.12.No.2JuneJ992广顷高流速海水中金属材料的腐蚀行为朱相荣戴明安"陈振进杨朝晖梁采凤丁（7厂（钥狭研究总睨青岛海洋腐蚀研究所）一、前言金属材料在自然海水中的腐蚀数据通常是在自然海流0.1-1米/秒）条件下获得的，但滨海的电站、石油、化工系统中的高流速管道、泵、热交换器、阀门以及高速舰船中的

2、管道以至船体等都处在较高流速（53。米/秒）海水的环境中。因此，各国相继开展了高流速海水中金属腐蚀的研究口吼我国在这方面的工作不多。本工作采用管道式高流速海水回路系统首次对部份国产金属材料进行试验研究。黑色金属以船用碳钢、三种海洋用低合金钢和lCrl8Ni9不锈钢为代表，有色金属选用铝合金、白铜以及TC4钛合金等。研究海水流速对这些材料腐蚀率的影响，并在不同流速的海水中测定电化学参数，进而探讨它们的电偶腐蚀情况。二、试验方法1.试样试飨材料的化学成份见表I。试祥尺寸为67*30X3mm,并选取5组面积比为1:I的电偶对。因试验段尺寸所限，测试各流速下的腐蚀率时每次放入2个平行样，电偶对平行样3

3、对。2. 管道式高流速海水试验迥路该网路系统是根据冶金部新材料处及“低合金钢、合金钢技术开发”（7528）项目的要求建立的。能获得较高的流速，操作简单、易控。该回路示意图见图L在主控制箱上装有压力和温度自动测试仪，并装有流量计，记录岬时的和累积的流量.以便计算流速。海水温度在2632C,pH8.2,溶氧彖为5.6m】/L,盐度3.2%。该回路共有四个不同流速的试验段，本工作选用的流速为3米/秒、7.5米/秒和II米/秒。试样用工程塑料夹具夹紧，在夹具的迎水端装一片与试样尺寸相同的尼龙片，以阻止水对最前端试样的冲击。然后，将夹具推入各试验段中，海水的流动方向与试片平行。经25天（每天开8小时，停

4、16小时）后测定试样的腐蚀量。高流速海水中电化学参数的测试是在回路连续运转24小时,温度为10C的条件下进行的。-国家自然科学基金资助课题】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硕.0.01i.不同流速海水中的JB蚀率试验材料在不同流速海水的腐蚀率数值列于表2,它们在实海（肯岛小麦岛海区），海流速度0.1米/秒）中经一年全浸的腐蚀率数据则列于表3.对照表2和表3的数据可看到，各种金属材料在各流速中的腐蚀率，除个别情况（低速段UF2和B30）外,均比实海中腐蚀率大好多倍.虽然不锈钢在各流速段的腐蚀率大，怛不出现点蚀.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.将表2数据分别作出图2和图3可看出这几种金属材料的腐蚀率随流速的变化具有不同的规律：（1）3C和09MnNb钢的腐蚀率随流速呈直线上升。（2）10CrMoAl和945钢的腐蚀率与流速呈曲线关系,且曲线形状几乎相同.（3）lCH8Ni9的腐蚀率随流速增高稽稽增加。（4）LF2和B30的腐蚀率开始变化不大，流速到达某一值后急剧增加,增加的幅度各不相同.（5）TC4在此流速范围内腐蚀率没有变化.2.不同海水流返

10、下的电化学参敷（1）不同海水流速下的金属腐蚀电位：在室内平静海水及青岛小麦岛海区（。lm/s的海流）中挂片条件下测得的金属腐蚀电位值列于表4。可以看出，除1CH8N19钢外，其余材料在o.lm/s海水中的腐蚀电位都稍正。Tabel4Freecorrosionpotentialofmetalsinseawater(V,vs.seawaterAg/AgClelectode)图为金属材料在高流速海水试验回路中所测得的自腐蚀电位变化情况。随海水流速增加，由于氧扩散加剧，使Zn-Al-Cd和945钢的自腐蚀电位向正方向移动。lCr18Ni9和HSn62-1在一定流速时向负方向移动系因素面膜局部破坏；流速

11、进一步增加又向正向移动，则因氧扩散进一步加剧使表面膜自行修复所致。2）不同海水流速下的电偶腐蚀：在不同海水流速下所澜得的电偶腐浊的电流数据见表5。相应条件下电偶对中阳极材料的自腐蚀电流值见表6,而阴极材料在此条件下的失重值见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从表5看，以945钢为阳极的三个电偶对，零速时的电偶电流几乎相同而与阴极材料无关，呈典型的挈:扩散速度控制，当流速增加时，尽管电流的增长率不太大但都比零速时大数倍。对于以Zn-Al-Cd为阳极的电俱对来说，当流速增加时，电偶电流增长率及数值（比零速时数倍败十倍）

15、均显著增加.而此时阴极材料945钢的失重值（表7）几乎不增加,可见高流速海水中仍可用牺牲阳极来保护钢铁材料。不过所需保护电流与流速的变化关系极大，牺牲阳极的消耗量随流速而增加，应予高度重视.对照表5、表6还可看到不同电偶对的电偶效应（电偶电流与电偶对阳极材料的自腐蚀电流之差）顺序为HSn62-llCrl8Ni9=TC4。这一结果表明钛合金的电偶效应并不大。3、高流速海水中云蚀产物的形I*及站构经连续试验后，碳钢和低合金钢在零速海水中的脂蚀产物疏松，色深暗；在流速3m/s时,呈流水状腐蚀线条。当流速6m/s时，由于动海水冲刷使筑层脱落，表面上只见到均匀分布的小锈点。当流速10m/s时，附在试样表

16、面上的腐蚀产物更少，只见锈迹，并显塔出金属光泽，显示了高流速海水的冲刷作用。这一结果与PerHns®的观察结果相吻合考成到212.5m/s的流速将有空港腐蚀的可能性，故未进行试验。lCrl8Ni9和B30在低速和高速下均未见腐蚀产物附着.LF2在低速段有白色牖蚀产物和粘泥结合的一层膜，在高速段无腐蚀产物附着，呈现光滑而光亮的表面。这一现象与George的铝合金的观察相类似.对碳钢和低合金钢经24小时高流速海水腐蚀后的隋蚀产物进行X-射线衍射分析，结果表明含有y-FcOOH,Fs。、HzO.aFetO,及各种快盐如FeaFe2（SO4）t（OH）27H2O未见F.Ol可见高流速海水中钢

17、快我面锈层主要为Fe，+的化合物Y-FeOOH及Fe2O8.这与近年来我们对钢铁材料在海水中镌层结构产物分析所得的靖果（为FeQ,、eFeOOH.3-FeOOH和丫.FeOOH）有较大的不同。应该指出，若钢铁材料间断地在不同流速的海水中试验时，所得崩蚀产物的形貌和结御则与上述结果有所不同，产物中将含有FeQ.,四、讨论1.海水流速与腐蚀率的关系根据管道中溶液流型的判据（雷诺数队=兽），计算出水温在30C时，管道系统的高速（llm/s）、中速（7.5m/s）、低速（3m/s）段中的Re分别为6.7X】05.6X103.5X10s,其值远大于2300,各流速段均为完全湍流区.若材料的腐蚀速度受溶解

18、板的扩散速度控制，则流速越大，扩散层厚度便越小，草的极限扩散电流密度就越大，腐蚀速度也就越大（如图5中的&）图2中的09MnNb和3C铜即属于这种情况.图2中945和lOCrMoAl钢的腐蚀率随流速增嵩开始较慢，然后越来越快.这是由于这两种材料在内锈层中富集了Cr.Ni.AJ等元素，并生成难溶您沉积于内锈层，起阻挡作用，故在低流速下腐蚀率增加慢.当流速增大后冲刷作用加强，使锈层部份剥落，从而腐蚀率怏速增加.如图5中的bo若在低流速环境中材料的保护膜有抑制腐蚀作用，流速增加到一定程度时，保护膜受冲刷而被破坏，腐蚀率便急剧增加，也属于这种情况，如图3中的LF2和B30.第三种情况如图3中T

19、C4和lCrl8Ni9的情况，在高流速场合氧的供应快速充分，使钛合金及不锈钢的表面膜比在平粉海水中成长得快而牢固，材料处于饨化状态，故流速变化对腐触率的影响不大（图5中的c）,而且不会产生点做.能安全地用于高流速海水中.2.关于电偶效应VelodtyofteawaterFig.5Schematicvariationofcorrosionratewithseawatervelocity.根据金属在海水中的电位序，视偶对的电位菱大小来判断电俱腐蚀，只是一种热力学可能性，而实际的电偶腐蚀程度大小如何，还要看这两种金腐本身的极化性能或俱合后的极化行为.我们以前曾指出过，钦合金在天然海水中和热海水中的电

20、偶效应不大，是由于钛合金有较大的氧还原超电势"在本工作的高流速海水中，尽管氧的扩散加剧，而且TC4在表4中的自腐蚀电位值均比其他金腐正，但同样出现TC4的电偶效应反而小于其他两种材料的状况-这同样可能因为做合金在高流速海水条件下具有高的氧还原超电势的缘故。3. 关于志海建海水中金的腐蚀机理对于腐蚀机理，本工作未作详细研究,仅由破钢镌层形貌和结枸来探讨它在古廉速海水中的腐蚀过程。本工作结果巳指出，低速时锈层硫松，色深，流速增加时锈层减少，锈色变浅，在流速llm/8时只见到少锈迹,且呈均匀腐皱。锈层中主夏的组份为Y-FeOOH,aFe103.这说明钢快在胃流速海水中的腐蚀过程与它在平静海

21、水中的腐蚀历程有差别，可能由于高速海水促进了氧的扩散输送，使二价佚很快地氧化成三价铁，故未能见到Fe6.在更高流速下由于几乎冲刷掉各种镌迹而呈现出均匀的全面腐蚀并有一个光亮的表面.可以说这是由流动海水冲剧的力学机理所致.COBasfl.J.L,Re*eaichandDevelopmentReport910160ANEES(I96012)TheIntemationftlNidceTbLaqueCenter£orCorrcskmTechnolcgyReport.(1987)m山下桂一防IT技术，18(5).206(1968)C4)廉科平八,火力原子发电M(2),42(1975)C53Le

22、eT.S.ThiaJeR.WrandWolorfJ.H,MauriabPorformonoe,2X11),44(1984)t6)Petkin*.J,Campion,»(1>.23(1979)C7)George.A,Corrorton»>7(4),232(1931)t8)ZhuXiangrong*eC«l»ProooedlngsoftheFlmInter-nationalConferenceontheMetallurgyendM&teriateScienceofW-Ti-ReSbVol,UOiftnsBhft.China.P.954,(

23、1988)m朱相荣，邹中坚.陈振进.朱n.海洋科学.No.6,P.29.(1988)CORROSIONBEHAVIOUROFMETALLICMATERIALSINHIGHVELOCITYSEAWATERZtexXianffmmDcdMinganChenZhenjinfYangZhaotnnandLkangCaifeng(CWroZIronandSteelResearchInstitutetQingdaoResearchfnstitiiteforMarineCorrosion)AbstractByusingtubulartestloopforcorrosioninhighvelocityseawater,thepotentialandco