低合金铸铁在动海水中的腐蚀研究

夏兰廷，黄桂桥

（1.太原科技大学 材料科学与工程学院，太原 030024；2.青岛海洋腐蚀研究所，山东青岛 266000）

低合金铸铁在动海水中的腐蚀研究

夏兰廷1，黄桂桥2

（1.太原科技大学 材料科学与工程学院，太原 030024；2.青岛海洋腐蚀研究所，山东青岛 266000）

主要研究了4种低合金铸铁分别在流速为3、7、11m/s动海水中的腐蚀行为。结果表明：低合金铸铁在动海水中的平均腐蚀率明显大于静海全浸区的平均腐蚀率，且随流速的增加而增大。海水流速在3～11m/s时，低合金铸铁的腐蚀形式主要以湍流腐蚀为主。

低合金铸铁；动海区；平均腐蚀率

为利用广阔的海洋资源，国外早在20世纪30、40年代就开始研究合金铸铁、低碳钢、不锈钢,各种铝合金、铝锌合金在海洋中的腐蚀行为。国内从20世纪70年代以后为适应沿海工业的发展，如石油化工企业、火电、核电站的建立，海洋石油、矿产的开发及海洋运输等，开始了这方面的研究，但主要停留在人工模拟自然海水的试验基础上[1，2]，系统、全面表现低合金铸铁在流动海区实海腐蚀数据较少，尤其有关铸铁在流动海水中的试验数据目前处于空白。而铸铁材料，尤其合金铸铁优良的铸造性能和加工性能，使其成为各种结构复杂阀门、泵、管道的理想选材。关于铸铁材料在高流速海水中的腐蚀研究，国外在20世纪50年代就着手研究，而我国起步较晚，且大多从实验室工作开始。其主要的设备有旋转实式高流速动海及空泡试验装置，室内小型对冲试验及小型低速管道试验装置。本试验主要通过实海试验全面表现多种常用铸铁材料在流动海水条件下的腐蚀性能，并分析其腐蚀机理，旨在为常用海洋铸铁材料的选材和应用提供理论依据。

1 试验方法

本试验用低合金铸铁挂片试样成分见表1。根据国标GB5776—86，试样被加工成 200mm×100mm×（4～8）mm 薄片，机加工后的试样表面粗糙度不大于Ra3.2μm。

表1 低合金铸铁的成分（质量分数，%）

试验地点为山东青岛市小麦岛(钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所)全浸区实验场内。海洋环境特点为：平均水温26～32℃；海水平均流速0.1m/s；溶解氧5.6ml/L；盐度32；pH值8.2；实验场内水质干净、清澈，污染小，透明度为2m～4m；地处正规半日潮，平均潮差2.7m；海生物种类主要有藤壶、牡蛎、苔藓虫、石灰虫和藻类。

试验装置为非封闭循环管道式高流速动海水系统装置（图1）。实验的过程中，始终保证试样挂片平行于水流方向且垂直于水面。试验周期为366天。

试验结果的评估参考国标GB1766—79和德国标准DIN50—98。

2 结果与讨论

低合金铸铁在流动海水中的试验结果见表2，静海区实海试验结果见表3。对比表2和3可以看出：4种低合金铸铁在各流速段中的平均腐蚀率均远大于静海全浸区，并且随流速的增加而增大。铸铁在海水中的腐蚀为氧去极化腐蚀，在该过程中，氧以扩散的形式通过铁表面的静止层到达铁表面。该过程是控制环节，由公式[3]

表2 低合金铸铁在流动海水中的腐蚀率（mm/a）

表3 低合金铸铁全浸于静海水中的腐蚀率（mm/a）

式中i、n、F、D、C和X分别为氧的极限扩散电流密度、交换电子数或金属离子的价数、法拉第常数、扩散系数、溶液氧浓度和扩散层厚度。在一定条件下，氧的扩散电流密度与扩散层厚度X成反比，水流速越大，扩散层厚度越小，氧的极限扩散电流密度越大，腐蚀速度越大。由流体力学公式计算，在水温30℃时，该实验管道各段流速中的雷诺系数Re≫2300，各流速段均为完全湍流区。铸铁基体中的Cr、Cu、A1等元素形成的难溶盐沉积于内锈层，并对致密、牢固的Fe3O4层的形成起促进作用。在较低流速下内锈层保持较完好，4种材质的腐蚀率无本质区别，随流速增加，对锈层的冲刷作用加强，该锈层部分脱落，化学-电化学溶解继续进行，导致腐蚀加剧。

从图2可以看出：海水流速由低流速（3m/s）变化到中流速（7m/s）时，其平均腐蚀率变化特别明显，以Cu-A1球铁最为明显；海水流速由中流速（7m/s）变化到高流速（11m/s）时，其平均腐蚀率的变化幅度相对减小。另外四种铸铁材料在整个实验过程中，平均腐蚀率的变化趋势基本相同。将四种材质综合比较，由表中数据可见，中、高流速时，Cu-Al球铁腐蚀率最大，Cu-Cr铸铁腐蚀率最小，普通灰铁和Cu-Cr球铁基本处于同一腐蚀水平。从力学性能上看，球铁的强度远高于灰铁和低合金铸铁，但其腐蚀率大于低合金铸铁，表明动海腐蚀率与材料硬度有较大关系[4]。片状石墨铸铁在高流速时的腐蚀率均小于球状石墨铸铁，显然在动海条件下，铸铁材料受到冲蚀-磨蚀腐蚀。球铁与灰铁的结晶特点不同，球状石墨具有最小的表面积并孤立存在于基体中，在高流速冲蚀-腐蚀的作用下，极易脱落；而连续分布的片状石墨，其在基体上的牢固性大于球状石墨。石墨一旦脱落，在近似光滑的基体上，其微观面上表现出极大的不平度，凹凸不平的位置，受到高速溶液的冲刷、磨损，其腐蚀速率加大[4]。由表中数据明显可见：低合金铸铁高流速时的腐蚀率大大低于Cu-A1铁素体球铁，而且小于Cu-Cr珠光体球铁。

试验过程中，动海区试样挂片垂直于海平面，平行于水流方向，且试验在非封闭循环管道中进行，能保证水流速度的均匀性，其中循环管道流速v随管道半径以切应力τ分布示意图见图3。

由于试样挂片较薄，忽略4个小平面上应力分布，仅考虑2个大平面上切应力τ和正应力σ。根据图3，试样挂片2个大平面上切应力τ方向平行于水流方向，正应力σ方向垂直于水流方向，见图4。

一方面，海水的流动性，使试样表面供氧充分，极易在腐蚀初期形成铁的氢氧化物膜和氧化物膜。根据微观切削理论，当氧化膜表面的切应力τ大于氧化膜临界附着力时，氧化膜就开始变形、局部剥落。同时随着流速的逐步增加，试样表面上的氧浓差极化也逐步减弱。根据以前的研究[5]，铸铁在海水中的腐蚀为氧去极化腐蚀，在动海腐蚀过程中，溶解氧不断地在金属表面被还原，为此大气中的氧就不断溶于腐蚀介质并通过对流和扩散向金属表面迁移。在氧向金属表面迁移过程中，氧以扩散的方式通过金属表面溶液的滞流层到达金属表面这一过程是氧扩散过程的控制过程。在氧浓度一定的情况下，氧的极限扩散电流密度与扩散层厚度成正比，且扩散层厚度随海水流速增加而变薄；反过来，扩散层的变薄降低了氧的极限扩散电流密度，增加了试样平均腐蚀率。另一方面，流动的海水有助于Cl-扩散和对流，从而加剧下列反应[6]，

同时，随着流速的增加，加剧了腐蚀剂（Cl-）的供应和腐蚀产物（Fe（n-1）+（OH）n-mClp或Fe（2n-1）+Ox（OH）yClp）的迁移，进一步加剧铸铁试样的腐蚀。根据雷偌数判据，Re=υd/γ（其中υ为管道中的溶液流速，d为管道直径，γ为溶液黏度），计算出30～34℃海水在高流速（11m/s）、中流速（7m/s）和低流速（3m/s）时的平均雷偌数 Re 分别为 6.7×105，5.6×105和 3.37×105，均远大于2320，显然试样完全处于湍流区，从而使低合金铸铁试样在大于3m/s流速海水中的腐蚀形式主要以湍流腐蚀为主。

由图2还可以看出，低合金铸铁平均腐蚀率的增加幅度并不是与流速同步增加，而是当流速进一步增加时，铸铁平均腐蚀率的变化率变小，其曲线趋于平稳。由表2知，除普通铸铁外，其余3铸铁材料均含有一定量合金元素Cu、Cr、A1。随着海水流速的进一步增加，腐蚀产物的迁移速率也急剧增加，并随腐蚀产物的局部剥落，新的腐蚀面也将不断地析出，使富聚在内锈层中的合金元素在供氧充分的环境中，与 Fe2+、Fe3+生成难熔盐并沉积于内锈层[7]，从而阻碍了氧的进一步扩散和合金元素的进一步析出，明显降低铸铁的平均腐蚀率。所以铸铁材料中适量的合金元素能明显改善铸铁的动海抗腐蚀性能。

3 结论

（1）低合金铸铁在动海水中的平均腐蚀率明显大于静海全浸区低合金铸铁的平均腐蚀率，且随流速的增加而增大。

（2）当海水流速超过3m/s时，低合金铸铁的腐蚀形式主要以湍流腐蚀为主。

（3）铸铁材料中适量的合金元素能明显改善铸铁的动海抗腐蚀性能。

[1]夏兰廷，黄桂桥，张三平.金属材料的海洋腐蚀与防护[M].北京：冶金工艺出版社，2003.

[2]黄桂桥.铸铁在海水中的腐蚀行为[J].腐蚀与防护，2001，22（9）：384-386.

[3]张承忠.金属的腐蚀与防护[M].北京：冶金工艺出版社，1985：32.

[4]夏兰廷，韦华，朱宏喜.常用铸铁材料海水腐蚀行为的研究[J].中国腐蚀与防护学报，2003，23（2）：99-102.

[5]Yun Soo Lin，Joung Soo Kin，Se Jim Ahn，et a1.The influence of microstructure and nitrogen alloying on pitting corrosion of type 316L and 20 Wt.%Mn substituted typed 316L stainless steels[J].Corrosion Science，2001，43，1：53.

[6]夏兰廷，韦华.自然海水中低合金铸铁点蚀化学-电化学溶解机理[J].机械工程学报.2002，38（9）：140-144.

[7]Robert S.Brouwn.Anti-corrosion methods and materials[J].Selecting Alloys for Severely Corrosive Service，1999，46：6.

Corrosion Behaviour of Low Alloyed Cast Iron Exposed to Running Seawater

XIA LanTing1，HUANG GuiQiao2
（1.School of Materials and Engineering Taiyuan Science&Technology University，Taiyuan 030024，Shanxi China；2.Qingdao Marine Corrosion Institute，Qingdao 266000,Shandong China）

Corrosion behavior of low-alloyed cast irons exposed to running seawater with running speeds of 3，7，11m/s respectively，has been investigated with discussion about the obtained results which have shown that the average corrosion rates in the running seawater were clearly higher than those in static seawater and its average corrosion rates increased obviously with increase of flow speed.The main type of corrosion of low-alloyed cast irons exposed to the running seawater is turbulent-flow corrosion when the running speed of the seawater is higher than 3m/s.

Low-alloyed cast iron；Running seawater；Average corrosion rate

TG257;

A；

1006－9658（2010）02－3

2009－11－16

2009－153

夏兰廷（1950,11-），男，太原重型机械学院教授，研究方向：铸造合金及材料腐蚀与防护