39 2205双相不锈钢在醋酸环境下的点蚀行为研究
张丽萍
(中石油东北炼化工程有限公司葫芦岛设计院,辽宁 葫芦岛 125001
摘 要:2205双相不锈钢由于其具有良好的力学性能,耐腐蚀性能被广泛地应用石油化工设备和管道
用材料和选材设计中。本文主要利用电化学极化曲线及交流阻抗技术研究了 22Cr 双相不锈钢在醋酸以
及氯离子条件下耐点蚀行为。结果表明, 22Cr 双相不锈钢在醋酸环境下有良好的耐腐蚀性能,由于氯
离子的存在,增大了该材料的腐蚀倾向,同时也进一步加大了发生点蚀的几率。
关键词:氯离子;醋酸;双相不锈钢;点蚀
前言
双相不锈钢(duplex stainless steel, DSS 具有 α+γ组织,且二相有适宜比例,故其兼有奥氏体不 锈钢与铁素体不锈钢的特性。双相不锈钢具有非常 高的屈服强度,主要原因是它的晶粒比其他材料 小,这是由于其两相显微组织阻止了晶粒生长。双 相不锈钢的拉伸特
性取决于铁素体相和细晶粒,但 良好的韧性是由于奥氏体的存在 [1,2]。 与铁素体不锈 钢和马氏体不锈钢相比,其韧性高、脆性转变温度 低,耐晶间腐蚀性能和焊接性能显著提高。同时, 保留了铁素体不锈钢导热系数高、膨胀系数小、具 有超塑性等特性;与奥氏体不锈钢相比,双相不锈 钢强度高,特别是屈服强度和疲劳强度显著提高, 且耐晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等性能有明显 改善 [3]。
随着国内加工原油数量的激增,以及原料油直 接加氢等新工艺的应用,对石油化工设备和管道用 材料和选材设计的要求越来越高,双相不锈钢主要 用在常减压蒸馏,催化裂化和加氢脱硫等装置 [4]。 2205双相不锈钢以其优异的耐蚀性和良好的加工 性,在化工、石油等部门得到广泛的应用。本文主 要研究了在醋酸以及还有氯化物环境下 2205双相 不锈钢的腐蚀行为。
1 实验材料和方法
试验所用的材料为瑞典 Avesta 公司生产的 2205双相不锈钢,其主要化学成分如下表 1所示:
表 1 2205 双相不锈钢的主要化学成分 (%
Table1 Compositions of 2205 DSS (%
Material UNS (AISI C P S Cr Ni N Mo Mn Si Fe 31803 (2205 Bal 0.014 0.023 0.001 22.39 5.68 0.17 3.13 1.38 0.39 balance
动电位极化曲线的测试采用 VMP3电化学测试 系统,测试不同溶液浓度中的阳极极化曲线,将实 验材料加工成 10mm×10mm的块状样。在其背面焊 上带有聚四氟乙烯的铜导线,非工作面用环氧树脂 封装, 电极表面用 400-2000号金相砂纸打磨、 抛光, 用无水乙醇去脂,再用蒸馏水冲洗后备用。参比电 极体系由饱和甘汞电极 (SCE和盐桥组成,辅助电 极为 Pt 电极,溶液采用分析纯级的冰醋酸、 NaCl 和 去离子水配制成不同浓度的溶液, 30%醋酸溶液, 30%醋酸溶液加 0.1mol 、 0.5mol 、 1mol 的 NaCl 的混 合溶液。所有溶液在氮气中除气 30分钟。将制备好 的试样浸泡在溶液中,时间为 1h ,电位变化不超过 2mV ,然后进行阳极极化扫描速度为 2mV/s,待电 流达到 100uA 时电位称为点蚀电位(Ep 。交流阻 抗测试采用 PAR2273电化学系统。原始试样的组织 观察采用 KYKY-2800B 型扫描电镜,极化后的试样 观察采用 PLOYVAR 型金相显微镜。
2 实验结果和分析讨论
2.1 显微组织
2205不锈钢具有 α+γ组织, 图 1所示为该材料
2009年 第 8期 2009年 8月
化学工程与装备
Chemical Engineering & Equipment
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在 KOH 电解腐蚀后的金相组织。白色的组织为 α奥氏体,黑色的组织是 γ铁素体。这是由于这两相 显微组织的交互生长阻止了晶粒生长,使得 2205双相不锈钢具有良好的综合性能。
2.2 极化曲线
图 2为 2205双相不锈钢在 30%醋酸溶液中的
极化曲线,从极化曲线上可以看出 2205双相不锈
钢在 30%的醋酸溶液中有较好的耐腐蚀性能, 有较
宽的钝化区间,从 0V-1.0V 范围之内。在该钝化区 间内 2205都表现出良好的耐腐蚀性能。当电位在 1.1V 左右的时候, 曲线出现一个电流峰, 该电流峰 的形成主要是发生三价的铬氧化成六价铬的电化
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学反应 [5]。主要反应的方程如下所示:2CrO 4 2-+10H++6e→ Cr
2
O 3+5H2O
图 3, 4为加入不同浓度的 Cl 离子浓度 (0.1mol 、 0.5mol 、 1mol 后的极化曲线,从图中可以看出随 着氯离子浓度的增加,钝化区间变化不明显,都是 从 0V-1.0V 范围之内,表明 2205钢在含醋酸溶液 以及醋酸含有氯离子的环境中都表现出良好的耐 腐蚀性能。但是腐蚀电流密度(I corr 有所增加,在 30%的醋酸溶液中 I corr 为 0.460µA, 加入不同浓度的 NaCl 后 I corr 有所减少, 具体变化如图 5所示。 这表
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明在醋酸中加入氯离子后,会加速 2205不锈钢的 腐蚀。另外由于氯离子的加入,改变了 2205不锈 钢在醋酸中的维钝电流,随着氯离子浓度的提高, 维钝电流密度不断地提高,表明氯离子对钝化膜的 破坏作用在不断地增强。
2.3 电化学阻抗谱
2205双相不锈钢在 30%醋酸溶液中的阻抗谱 见图 6 所示, 从图中可以看出阻抗表现出一个较大 的半圆弧,说明该材料在醋酸中有良好的钝化性能 和耐腐蚀性能。图 7所示为加入不同浓度的 NaCl 后的阻抗谱,图中可以明显的看出,加入不同浓度 的 NaCl 后,阻抗值逐渐在变小,但都表现出良好 的钝化效果,这说明随着氯离子浓度的增加,氯离 子对 2205不锈钢表面的钝化膜的破坏作用在明显 的增加,如果再加上温度或者其他因素的影响,这 都会进一步加大 2205的点蚀的发生,尤其是在石 油或者石化行业由于所处的环境比较复杂,影响因 素也比较多,这些无疑都会导致点蚀的发生。 2.4 极化后的显微照片
图 8 为 2205双相不锈钢在 30%的醋酸溶液以 及醋酸溶液中加入不同含量的 NaCl 极化后的照片。 从照片 A 可以看出在 30%的醋酸溶液中, 极化后基 本没有腐蚀以及点蚀发生,随着加入 NaCl 量的增 多,点蚀的倾向越来越明显,当 NaCl 含量达到 1mol/L时, 2205双相钢的点蚀已经非常明显,有 的点蚀孔已经非常大了。由此可见在醋酸环境中, 由于氯离子的存在会加速 2205不锈钢的局部腐蚀 的发生,随着局部腐蚀的进一步发展往往会导致整 个材料发生均匀腐蚀甚至发生重大破坏和事故。 3 结论
2205双相不锈钢在 30%的醋酸环境中有良好 的耐腐蚀性能和较宽的钝化电压范围,随着在溶液 中加入不同浓度的氯离子后,钝化电压范围变化不 明显,但是维钝电流密度和腐蚀电流密度发生变 化。伴随着氯离子浓度的增加,维钝化电流逐渐增 大,同时腐蚀电流密度也在不断的增加,同时发生 点蚀的几率也在不断的增加
参考文献
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The pitting research of 2205 duplex stainless steel in acetic acid environments
Abstract :2205 duplex stainless steel is widely applied in many national dividend departments, because of its good mechanical properties, the anti-corrosive performance. In this paper we use electrochemical polarization curve and electrochemical impedance to study the pitting performance of 2205 duplex stainless steel under the acetic acid as well as containing the chloride ion condition. The result shows that 2205 duplex stainless steel have the good anti-corrosive performance under the acetic acid environment, but the corrosion tendency are increased as results of the existence of chloride ion. At the same time, enlarged the pitting probability.
Keywords: chloride ion; acetic acid; duplex stainless steel; pitting
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