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海水流速对典型金属管材腐蚀行为的影响

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前言
海洋环境下船舶及海洋工程结构服役环境恶劣，近年来，材料的可靠性和使用寿命越来越受到人们的关注。
海水管路在船舶、滨海电站、海水淡化等领域都有极为广泛的应用，其使用环境大多为流动的海水介质。因此，管路材料除了要满足一定的力学性能外，还必须具备较高的耐海水腐蚀性能，特别是耐高流速海水腐蚀性能。
1.试验材料与方法
图1 (a)模拟管路腐蚀试验装置
图1 (b)管路腐蚀试样尺寸及实物安装图

2 试验结果
1
力学性能
沿着管壁纵向取样，对四种材料的常规力学性能进行了测试，如表1所示。
表1 试验材料常规力学性能
2
静态海水环境下的腐蚀性能
图2为四种试验材料在人工海水中的全浸腐蚀结果。
图2 试验材料在静态海水中的腐蚀速率
3
流动海水环境下的腐蚀性能
利用模拟管路腐蚀系统分别研究了四种材料在3m/s、7m/s、10m/s三种流速下的腐蚀行为，图3为不同流速下的腐蚀速率。
图3 试验材料在不同流速海水中的腐蚀速率

表2 试验材料在不同流速下的腐蚀速率数据
表3 试样在不同流速海水下腐蚀的宏观形貌
表3所示为四种材料在不同流速下腐蚀后的宏观形貌，各种材料腐蚀后的形貌表现出较大差异。
3.分析讨论
管路材料的腐蚀行为与管内溶液流型有关，根据管路中溶液流型的判据雷诺数：
表4 试验材料在不同流速条件下的雷诺数
从计算结果来看，试验材料在三种流速下的的雷诺数均大于2300，各流速段均为完全湍流区，这意味着在材料表面存在剪切力，因此，在高流速情况下易导致锈层脱落。
用扫描电镜进一步观察了试验钢在高流速（10mm/s）下的微观形貌，四种材料腐蚀后的微观形态有十分明显的差异，如图4所示。
碳钢为非钝化材料，表面腐蚀最为明显，有明显的冲刷痕迹，当剪切力大于锈层与基体的结合力时，锈层被冲刷脱落，宏观上表现出沟槽状。
304钢表面较为光滑，一方面不锈钢表面易形成钝化膜（主要为Fe3O4和Cr2O3），另一方面，从材料的强度也可以看出，304不锈钢的抗拉强度远远高于其他材料，湍流的剪切力很难对基体造成破坏，因此其表面最为平整，依然保留了机加工状态。
B10铜合金在高流速下表面也腐蚀较轻，这是由于在海水介质中不仅形成了Cu2O氧化膜，而且锈层中富含镍铁，可防止合金进一步腐蚀。
TA2在高流速下依然保持十分优异的耐蚀性，其主要机理是钛合金在海水介质中极易发生钝化，并形成致密的TiO2保护膜，从而阻止了氯离子向基体的渗透，因此，从微观形貌上看，TA2的表面有极少量的腐蚀产物。
图4 试验材料在10m/s流速下的微观形貌

由图5，碳钢Q235在海水中阳极发生明显的腐蚀，在海水中，阳极反应为Fe的溶解（Fe→Fe2++2e），阴极为吸氧反应2H2O+O2+4e=4OH-，随着腐蚀电位的提高，电流密度逐渐增大，未反应出钝化特征。

在B10的极化曲线中，阳极区分为三个反应区域，即活性溶解区、钝化区和极限电流区。
在活性溶解区，铜合金中的Cu以Cu+的形式溶解，随后Cu+与海水中的Cl-结合。阳极反应为：Cu→Cu++e，Cu++Cl-→CuCl，CuCl+Cl-→CuCl。
在钝化区，CuCl是难溶于水的，在试样表面沉积，同时发生水解生成铜的氧化物，该反应为：2CuCl+H2O→Cu2O+HCl，其中Cu2O在试样表面形成致密的保护层，阻止了氯离子向基体扩散，腐蚀电流下降，并进入钝化区。
在极限电流区，随着极化电位的继续增大，Cu+被氧化成二价Cu的腐蚀产物，腐蚀产物保护性降低，阳极反应的电流密度随着电位的升高而逐渐增大。
与B10相比较而言，304钢的活化溶解区明显较窄，在钢的表面很快形成了钝化膜，并进入钝化区，该区域随着电位的提高，钢的腐蚀电流密度几乎不发生变化。当腐蚀电位达到一个临界值时，钝化膜被击穿，保护屏障失效，从而发生了局部腐蚀。这也正好解释了在更高流速下（10m/s），B10的腐蚀速率超过了304钢。
TA2在动态海水环境下的阳极行为表现在形成明显的钝化区，即随着腐蚀电位的提高，试样表面的电流密度不发生明显变化。TA2的保护膜具有较高的致密性，Cl-难以穿透，因此，在动态海水环境下依然难以发生腐蚀。
图5 实验钢在动态海水中（10m/s）的极化曲线
4. 结论
通过对四种典型海洋管路材料在静态、不同流速动态海水环境下的腐蚀行为进行研究，得出以下几点结论：

  1. 在静态海水环境下，与B10铜合金、304不锈钢、纯钛TA2相比较，碳钢为非钝化性金属材料，其腐蚀最为严重。

  2. 在高流速海水冲刷环境下（10m/s），B10铜合金的动态腐蚀敏感性比304强烈，当腐蚀速率达到10m/s时，其腐蚀速率超过了304不锈钢。主要原因是B10钢的活化溶解区明显宽于304不锈钢，其成膜速度较慢，且钝化区被击穿后，均表现为发生局部腐蚀。

  3. 纯钛TA2在静态和高流速动态海水中基本不发生腐蚀，原因在于在其表面形成最为致密的TiO2保护膜，阻碍了Cl-向基体的渗透，是耐海水腐蚀性能最优异的管路材料。


选自：《腐蚀与防护》Vol.36 2015.6
作者：罗小兵，工程师，博士，钢铁研究总院


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