201、304和316L不銹鋼管在模擬污水管道反應(yīng)器中的腐蝕

  浙江至德鋼業(yè)有限公司研究了作為污水管道局部修復(fù)材料的201、304和316L不銹鋼管在模擬污水管道反應(yīng)器中的腐蝕行為．采用動(dòng)電位法研究了這3種材料在全部浸沒(méi)在污水或以2天為周期交替浸沒(méi)在污水兩種條件下的腐蝕電位和腐蝕速率，采用電化學(xué)阻抗譜(EIS)研究了這3種材料的電極過(guò)程，利用掃描電鏡(SEM)和能譜(EDS)分析了第56天腐蝕點(diǎn)的形貌和成分．結(jié)果表明，在兩種條件下304不銹鋼管和316L不銹鋼管的耐腐蝕性均好于201不銹鋼管，腐蝕速率均小于201。3種不銹鋼管在交替浸沒(méi)條件下的耐腐蝕性均優(yōu)于全浸條件，在交替浸沒(méi)條件下的腐蝕速率小于全浸條件;在304和316L不銹鋼管的表面形成了局部點(diǎn)腐蝕，在201不銹鋼管的表面形成了區(qū)域性腐蝕。

 隨著城市的發(fā)展，舊城區(qū)的改建擴(kuò)建，城市排水管網(wǎng)問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)．截止到2011年底，我國(guó)城市排水管道總長(zhǎng)度已達(dá)41.4萬(wàn)公里。由于缺少規(guī)范的維護(hù)管理，許多管道出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性或功能性的缺陷．缺陷類型有滲漏、變形、斷裂、表面腐蝕、支管錯(cuò)接、樹(shù)根植入、管底沉淀物等．管道修復(fù)是解決管道缺陷問(wèn)題最直接的方法，可分為開(kāi)挖修復(fù)和非開(kāi)挖修復(fù)．隨著城市交通壓力不斷加大和開(kāi)挖修復(fù)成本的增加，非開(kāi)挖修復(fù)逐漸成為管道修復(fù)的一個(gè)新手段．許多管道沒(méi)有完全損壞，通過(guò)針對(duì)管道局部缺陷進(jìn)行原位修復(fù)，便可恢復(fù)管道的功能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同缺陷的管道進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明大多數(shù)破損管道只存在局部缺陷，因此，局部修復(fù)是一種經(jīng)濟(jì)有效的污水管道修復(fù)方法．

不銹鋼套管法是近年來(lái)在加拿大、日本、德國(guó)等出現(xiàn)的一種新穎非開(kāi)挖管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)．不銹鋼套管的主體是由不銹鋼管和密封橡膠組成．修復(fù)過(guò)程是由專用修補(bǔ)器將不銹鋼管導(dǎo)入管道缺陷處，對(duì)修補(bǔ)器充氣，待不銹鋼套管緊貼管壁之后對(duì)修補(bǔ)器放氣，由于不銹鋼管帶有單向鎖扣，張開(kāi)后無(wú)法彈回，便可內(nèi)襯于缺陷處。浙江至德鋼業(yè)有限公司使用的不銹鋼發(fā)泡筒技術(shù)采用不銹鋼管316L，耐腐蝕性強(qiáng)，但價(jià)格昂貴。這類局部修復(fù)方法由于成本較高，施工技術(shù)較為復(fù)雜，目前在國(guó)內(nèi)還較難推廣。因此，尋找耐腐蝕性強(qiáng)且價(jià)格相對(duì)便宜的不銹鋼管對(duì)于此類修復(fù)方法在國(guó)內(nèi)的推廣具有重要意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)污水管道內(nèi)的腐蝕研究主要集中在對(duì)管道本身的腐蝕，如學(xué)者進(jìn)行混凝土管的腐蝕研究等。而對(duì)不銹鋼管的研究則主要集中在某些因素的變化對(duì)不銹鋼耐腐蝕性的影響，如氯離子的濃度變化對(duì)不銹鋼的耐腐蝕性的影響等。也有一些學(xué)者報(bào)道關(guān)于不銹鋼管在海水中的腐蝕，只有少量文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于不銹鋼管在實(shí)際污水中的腐蝕。浙江至德鋼業(yè)有限公司研究自制了一個(gè)模擬實(shí)際污水管道狀況的反應(yīng)器，選用市場(chǎng)上常用的3種不銹鋼管作為對(duì)象，分析不銹鋼在模擬污水管道環(huán)境下的腐蝕情況。

一、材料與方法

1.材料

 選取不銹鋼201(1Cr17Mn6Ni5N)、不銹鋼304(0Cr18Ni9)、不銹鋼316L(00Cr17Ni14Mo2)這3種不銹鋼管。將試樣加工成直徑10mm，厚5mm的圓片，一面焊接銅導(dǎo)線，用環(huán)氧樹(shù)脂封裝并露出另外一面，面積為0.78平方厘米．試驗(yàn)前試樣先用1500號(hào)砂紙沿同一方向打磨，再用2000號(hào)砂紙垂直方向打磨，隨后用去離子水清洗、風(fēng)干、丙酮擦拭除油，最后再用去離子水清洗3次。

2.試驗(yàn)方法

 如圖為模擬管道環(huán)境反應(yīng)器示意．反應(yīng)器為長(zhǎng)方體，尺寸為:長(zhǎng)800mm×寬400mm×高500mm。反應(yīng)器的進(jìn)水為北京市肖家河污水處理廠的進(jìn)水，出水由一個(gè)可調(diào)節(jié)高度的溢流堰排出，每隔2天調(diào)節(jié)溢流堰高度。反應(yīng)器中水溫為22.5～25.4℃，pH為7.7～8.1．污水中主要污染物濃度:COD、Cl－、SO2－4分別為250～350、71.6～164、75.2～131mg·L-1．反應(yīng)器內(nèi)上部氣室中H2S含量約為69×10－3mg·L-1。3種不銹鋼每種8個(gè)共計(jì)24個(gè)試樣，由兩種長(zhǎng)短不同的掛繩懸掛在污水中．當(dāng)溢流堰處于高位時(shí)，所有試樣會(huì)全部浸沒(méi)在污水中;當(dāng)溢流堰處于低位時(shí)，掛繩較短的試樣則會(huì)暴露在污水上方的氣室中．由此試驗(yàn)分為兩種條件:每種不銹鋼4個(gè)試樣整個(gè)周期全部浸沒(méi)在污水中(后簡(jiǎn)稱全浸條件);每種不銹鋼4個(gè)試樣是以2天為周期交替浸沒(méi)在污水或暴露在上部氣室中(后簡(jiǎn)稱交替浸沒(méi)條件)。分別于第7、14、21、56天進(jìn)行動(dòng)電位測(cè)試，第56天進(jìn)行EIS測(cè)試和電子顯微鏡掃描。

  電化學(xué)測(cè)試選用Potentiostat/GalvanostatModel27A恒電位儀，采用三電極系統(tǒng)，輔助電極選用石墨惰性電極，參比電極選用選用飽和甘汞電極，工作電極為不銹鋼試樣．動(dòng)電位掃描速率為1mV·s-1，自開(kāi)路電位下250mV向上掃描。

二、結(jié)果與討論

 1. 腐蝕電位

  本研究選擇Tafel直線外推法測(cè)定幾種不銹鋼的腐蝕電位(Ecorr)和腐蝕電流(icorr)。對(duì)動(dòng)電位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出兩種條件下不銹鋼的腐蝕電位和腐蝕速率．圖為3種不銹鋼在全浸條件和交替浸沒(méi)條件下的腐蝕電位。

  由圖可看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Ecorr逐漸增大。由于隨著時(shí)間增加，表面發(fā)生腐蝕，形成腐蝕膜，阻礙了腐蝕。3種不銹鋼的Ecorr增長(zhǎng)有一定波動(dòng)，這是因?yàn)椴讳P鋼的腐蝕電位需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定．在全浸條件下，304和316L的Ecorr相近，都明顯大于201．說(shuō)明304和316L的耐腐蝕性相近，都明顯優(yōu)于201，交替浸沒(méi)條件下的不銹鋼試樣也可得到相同的規(guī)律。

  分析兩圖可看出，第56天交替浸沒(méi)條件下的不銹鋼的腐蝕電位均大于全浸條件下的腐蝕電位．分析可能是由于在交替浸沒(méi)條件下比在全浸條件下，表面更容易產(chǎn)生生物膜．一些學(xué)者報(bào)道生物膜的存在能夠減緩水樣對(duì)金屬的腐蝕．說(shuō)明在實(shí)際管道中，交替接觸污水管道氣體和污水能提高不銹鋼的耐腐蝕性。

 2. 腐蝕速率

  腐蝕電位是從熱力學(xué)的角度分析腐蝕的可能性，即金屬的耐腐蝕程度。而腐蝕電流則能直接反映金屬的腐蝕速率．如圖分別為不銹鋼在兩種條件下的腐蝕速率。

  由圖可看出在全浸條件下，201的腐蝕速率遠(yuǎn)大于304和316L的腐蝕速率;在交替浸沒(méi)條件下201的腐蝕速率遠(yuǎn)大于304和316L的腐蝕速率。比較圖可看出，全浸條件下不銹鋼的腐蝕速率大于交替浸沒(méi)條件下不銹鋼的腐蝕速率，分析可能是由于交替浸沒(méi)條件產(chǎn)生的生物膜阻礙了污水對(duì)不銹鋼表面的腐蝕．這說(shuō)明在實(shí)際管道中，交替暴露在管道氣體和污水中減緩了不銹鋼的腐蝕。

 3. 電化學(xué)阻抗譜

  圖為3種不銹鋼在兩種條件經(jīng)過(guò)56天后測(cè)得的Nyquist曲線(其中Zim和Zre分別代表虛部和實(shí)部的阻抗)．文獻(xiàn)報(bào)道不銹鋼的鈍化膜具有雙層結(jié)構(gòu)，因此，可模擬成雙層結(jié)構(gòu)的電路，如圖所示．其中Ｒs為溶液電阻，Q1為雙電層電容;Ｒ1為傳遞電阻;Q2為腐蝕膜電容;Ｒ2為腐蝕膜電阻．其擬合結(jié)果如表。

  由表可見(jiàn)，304和316L的傳遞電阻和腐蝕膜電阻均遠(yuǎn)大于201，而雙電層電容和腐蝕膜電容遠(yuǎn)小于201。說(shuō)明304和316L的腐蝕速率遠(yuǎn)小于201。將角頻率ω=0代入此等效電路圖，可得腐蝕過(guò)程的極化電阻Ｒp。經(jīng)計(jì)算分別為:201全浸條件1422.3Ω·cm2;201交替浸沒(méi)條件3310Ω·cm2;304全浸條件4.07×104Ω·cm2;304交替浸沒(méi)條件5.41×104Ω·cm2;316L全浸條件4.38×104Ω·cm2;316L交替浸沒(méi)條件7.37×104Ω·cm2．可見(jiàn)3種不銹鋼在交替浸沒(méi)條件下的極化電阻分別大于在全浸條件下的極化電阻，說(shuō)明不銹鋼在交替浸沒(méi)條件比在全浸條件下的腐蝕速率小，與動(dòng)電位分析結(jié)果一致。

 4. 腐蝕形貌

 通過(guò)SEM掃描觀察了第56天兩種條件下3種不銹鋼的腐蝕面貌，如圖所示，由圖可知，不銹鋼201在全浸條件和交替浸沒(méi)條件下，點(diǎn)腐蝕坑較多且密集，已經(jīng)形成了區(qū)域性的腐蝕；304和316腐蝕點(diǎn)較少且分散．201在全浸條件下的腐蝕最為嚴(yán)重，可清晰看到一層腐蝕膜．不銹鋼的腐蝕主要以點(diǎn)蝕為主，普遍認(rèn)為是由于Cl－的存在，奪走了不銹鋼中的Cr，導(dǎo)致不銹鋼的耐腐蝕性降低，發(fā)生點(diǎn)蝕。對(duì)第56天不銹鋼201的腐蝕點(diǎn)進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如表。參照國(guó)標(biāo)中不銹鋼201各元素的含量，由表可看出硫元素和氧元素的含量較高，可能是腐蝕產(chǎn)物鐵的氧化物和硫化物．

三、結(jié)論

  1. 304和316L不銹鋼管在模擬管道反應(yīng)器兩種條件下的腐蝕電位相近，且明顯高于201不銹鋼管，說(shuō)明在污水管道環(huán)境中304和316L不銹鋼管的耐腐蝕性相近，且明顯優(yōu)于201不銹鋼管。

  2. 不銹鋼管304和316L不銹鋼管在模擬管道反應(yīng)器兩種條件下的腐蝕速率相近，且明顯小于201不銹鋼管。

  3. 201、304和316L不銹鋼管在交替浸沒(méi)條件下比在全浸條件下有更高的腐蝕電位和更小的腐蝕速率，說(shuō)明在污水管道環(huán)境中交替接觸管道氣體和污水能夠增強(qiáng)不銹鋼耐腐蝕性，減緩腐蝕速率。