316/316L换热管与316/316L管板焊接接头电化学腐蚀性能

元 科 ，高 磊 ，张莹莹 ，郝国永 ，王洪吉

（1.辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石油内蒙古销售公司，内蒙古 呼和浩特010015）

0 前言

316L不锈钢属于超低碳奥氏体不锈钢，因其具有优良的力学性能、焊接性能和耐腐蚀性能被广泛应用于压力容器、化肥生产装置和海洋环境装置等众多工程领域[1-2]。某钢厂利用316L的钢锭，采用某种加工工艺生产出来的一种不锈钢316/316L，耐腐蚀性能和力学性能得到一定提高。为了把这种新材料应用到换热器中，研究换热器管板接头的耐腐蚀性能是非常必要的。

换热器被广泛应用于石油化工行业中[3-4]，换热器中管子与管板的焊接接头（简称管板焊接接头）是使用过程中失效最频繁的地方[5]，腐蚀失效是一种重要的失效形式[6]。通过比较双牌号材料316/316L的管板焊接接头与普通316L管板焊接接头在NaCl溶液中的极化曲线、阻抗谱，对于换热器选材有重要意义。另外管板焊接接头采用不同的焊接工艺比较其耐蚀性能，对于提高换热器使用寿命也有重要意义。

1 焊接试验

1.1 试验材料

试验材料选用不锈钢316/316L、316L换热管（无缝钢管）和316/316L、316L管板（锻件），其化学成分 如表1、表2所示，焊丝ER316L化学成分见表3。

表1 管材的化学成分 %

表2 管板（锻件）的化学成分 %

表3 焊材的化学成分 %

1.2 组对焊接

采用平缝和角缝两种接头形式，如图1所示。

图1 接头形式

选择管头氩弧自动焊机，每种材料分别进行平缝和角缝两种形式的管头焊接试验，焊后实物如图2所示，焊接参数如表4所示。

图2 焊后实物

表4 焊接参数

1.3 试样

平缝和角缝两种接头型式如图3所示。

图3 试样实物

1.4 试验方法

采用PARSTAT 2273型电化学工作站，在传统的三电极体系中测定样品在3.5%NaCl溶液中的极化曲线和阻抗谱。工作电极为试件，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极为石墨。极化曲线的扫描速率为0.5 mV/s；交流阻抗测试的测量信号幅值为10mV，阻抗谱测量扫描频率范围为100kHz～10MHz。

2 结果和讨论

2.1 阳极极化曲线测试

双牌号材料316/316L的管板焊接接头、316L的管板焊接接头的平缝和角缝试样在3.5%NaCl溶液的极化曲线如图4所示。表5是4种不锈钢试样极化曲线的特征参数，包括腐蚀电位Ecorr、腐蚀电流密度Icorr和极化电阻RP。

图4 不锈钢试样在3.5%NaCl溶液中的极化曲线

表5 不锈钢试样在3.5%NaCl溶液中的极化曲线特征值

腐蚀电位（Ecorr）是一个特定的腐蚀体系在没有外加电流的情况下测得的金属电位。Ecorr是表示金属腐蚀倾向的物理量，Ecorr越低说明该金属越容易被腐蚀；该值越高，说明该金属不容易被腐蚀[7]。电极的自腐蚀电流密度（Icorr）与腐蚀速度成正比，与极化电阻（RP）成反比，因此Icorr和RP可以反映电极腐蚀速度的快慢[8]。由表5可知，对于腐蚀电位：316/316L平缝＞316/316L角缝＞316L平缝＞316L角缝；对于腐蚀电流密度：316/316L平缝＜316/316L角缝＜316L平缝＜316L角缝；对于极化电阻：316/316L平缝＞316/316L角缝＞316L平缝＞316L角缝。分析可得，316/316L平缝的耐腐蚀性能最好，316/316L角缝、316L平缝次之，316L角缝最差。

2.2 阻抗谱测试

对双牌号材料316/316L的管板焊接接头、316L的管板焊接接头的平缝和角缝做交流阻抗测试，测试溶液为3.5%NaCl溶液。测试结果如图5、图6所示。图5中4种试样的阻抗图谱均表现为一单容抗弧，表明此时的腐蚀过程属于活化控制[9]，电荷转移是整个电极过程的控制步骤[10]，电极表面均处于稳定的钝化状态[11]。单容抗弧的半径逐渐减小，表明耐蚀性不断降低。分析图5可知，316/316L平缝的耐蚀性最好，316/316L角缝和316L平缝的耐蚀性次之（相当），316L角缝的耐蚀性最差。

图5 不锈钢试样在3.5%NaCl溶液中的Nyquist图

由图6可知，相位角均位于第一象限（不考虑高频相移），表明其呈现容抗特征，而非感抗特征[12]。在低频区，316/316L平缝的相位角＞316/316L角缝相位角≈316L平缝相位角＞316L角缝相位角；在高频区316/316L平缝的相位角＜316/316L角缝相位角≈316L平缝相位角＜316L角缝相位角。由图6可知，四种试样的最大相位角，316/316L平缝的相位角＞316/316L角缝相位角≈316L平缝相角＞316L角缝相位角，则说明316/316L平缝的耐蚀性最好，316/316L角缝和316L平缝的耐蚀性次之（相当），316L角缝的耐蚀性最差[13]。

图6 不锈钢试样在3.5%NaCl溶液中的bode图

通过电化学工作站自带拟合软件，可以获得样品的电荷转移电阻Rct值。当Rct越大时，样品耐腐蚀性能越好[14]。拟合结果见表6，316/316L平缝的Rct最大，316/316L角缝和316L平缝的Rct次之（相当），316L角缝的Rct最小，因为当Rct越大时，表明样品耐腐蚀性能越好，所以316/316L平缝的耐蚀性最好，316/316L角缝和316L平缝的耐蚀性次之（相当），316L角缝的耐蚀性最差。得到与观察Nyquist图和Bode图一样的结论。

表6 不锈钢试样在3.5%NaCl溶液中的RCT的拟合值 Ω

3 结论

对于双牌号材料316/316L的管板焊接接头和316L的管板焊接接头的平缝和角缝，用阳极极化曲线和交流阻抗法测试其在3.5%NaCl溶液中的耐腐蚀行为。虽然两种方法的评定参数不同，但结果相同。采用相同的焊接接头，双牌号材料316/316L的耐蚀性优于316L的耐蚀性能；采用不同的焊接工艺的条件下，同种材料平缝的耐蚀性更好。

[1]李春胜，黄德彬.金属材料手册[M].北京：化学工业出版社，2005：571.

[2]郭晓军，谯德乾.316L（00Cr17Ni14Mo2）特级优质的钢管试制[J].特钢技术，2006，11（2）：42-44.

[3]钱颂文，方江敏，江楠.扭曲管与混合管束换热器[J].化工设备与管道，2000（37）：20-21.

[4]梁井龙，戴达盟.换热器浅析[J].中国石油和化工标准和质量，2012（14）：109

[5]段成红.管子与管板连接接头的强度和密封性能研究[D].北京：北京化工大学，2007：5-7.

[6]刘相臣.化工设备事故分析与预防[M].北京:化学工业出版社，1994：89-95.

[7]Moberg LE.Electrochemical properties of coroded amalgams[J].Scand Dent Res，1987（95）：441-442.

[8]刘丽，毛英杰，陈志红.钛合金在不同pH值人工唾液中耐腐蚀性能的研究[J].中国生物医学工程学报，2006，25（2）：166-169.

[9]岳丽杰，王龙妹，朴秀玉，等.10PCuRE耐候钢耐蚀锈层的电化学特征[J].稀土，2005，26（5）：56-60.

[10]王凤平，康万利，敬和民.腐蚀电化学原理、方法及应用[M].北京：化学工业出版社，2008：110-130.

[11]胡丽华，杜楠，王梅丰，等.1Cr18Ni9Ti不锈钢在酸性NaCl溶液中的点蚀电化学特征[J].失效分析与预防，2006，1（3）：6-9.

[12]魏欣，董俊华.温度对Cr26Mo1超纯高铬铁素体不锈钢在3.5%NaCl溶液中耐点蚀性能的影响[J].金属学报，2012，48（4）：502-507.

[13]曹楚南，张鉴清.电化学阻抗谱导论[M].北京：科学出版社，2002.

[14]吕虹玮，董士刚.316L不锈钢焊缝腐蚀行为的电化学研究[J].科技导报，2013（31）：5-6.