耐候钢在南海海洋大气环境下的腐蚀行为研究
Research on Corrosion Behavior of Weathering Steel in Marine Atmosphere of the South China Sea
南海属于典型的高湿热海洋大气环境,即高温、高湿、高盐雾、强辐射,自然环境严酷,材料腐蚀问题十分突出.根据ISO 9223分类标准,对南海地区的腐蚀性分类分级超过了最高级C5级.针对南海地区的高湿热海洋大气环境,传统耐候钢无法满足实际需求,目前也无在南海近海岸使用的成熟钢种,因而进行相应服役环境下耐候钢的研发尤为迫切.作为评价材料耐蚀性能的一种重要方法-加速腐蚀试验,能极大地缩短材料耐蚀性能的试验周期.然而,现行标准方法中缺少南海海洋大气环境下相关的加速腐蚀试验方法,大气暴露试验又存在试验周期长的特点.因此,建立南海海洋大气环境下的加速腐蚀试验方法是进行材料研发首要解决的问题.本论文通过研究多重海洋大气环境因素与材料耐蚀性之间的耦合关系,开展实验室加速腐蚀试验方法的研究,并对材料进行合金成分优化设计,依托大气暴露试验结果对模拟试验方法的加速性和模拟性进行对比验证.最终,建立了一种模拟南海海洋大气环境的加速腐蚀试验方法,优化设计出适用于南海海洋大气环境的3Ni Sn Sb耐候钢,并提出了Ni系耐候钢在南海海洋大气环境下的腐蚀机理模型和腐蚀寿命预测函数方程式.论文首先系统研究了Cl-浓度、光照、温度、湿度、干/湿交替时间比等关键环境因素对钢铁材料腐蚀行为的影响机制,建立了模拟南海海洋大气环境的加速腐蚀试验方法.该试验方法给出了具体的参数设置:质量分数2.0 wt%Na Cl溶液,溶液温度45±2°C,试验箱内相对湿度70±10%RH,一个循环周期60 min,其中浸润时间12±1.5 min,采用全天光照,且烘烤后试样表面最高温度可达70±5°C,试验时间设为72~96 h.为获得南海海洋大气环境用耐候钢材料,研究其腐蚀行为及耐蚀机理.根据Pourbaix电位-p H图的理论推导和已有文献研究,结合实验室加速腐蚀试验与实际大气暴露试验结果的对比分析.发现当Ni含量超过3 wt%后,材料的耐蚀性提高幅度很小,从材料兼具良好的耐蚀性和合适的经济成本角度考虑,确定了合适的Ni含量为3 wt%.合金元素Sn、Sb对材料的耐蚀性有利.Sn、Sb可以在钢表面形成了Sn O2,Sb2O5耐蚀氧化膜,还可以通过水解的方式形成Sn/Sb氯氧化物的沉淀附着、填充腐蚀裂纹或空洞,提高了锈层阻挡侵蚀性Cl-渗透的能力和锈层中起保护性作用的α-Fe OOH含量比例,抑制了对锈层保护性不利的β-Fe OOH产生.此外,Sn、Sb对腐蚀的阴极和阳极过程起到缓蚀剂的作用,使材料获得良好的耐蚀性能.通过实验室加速腐蚀试验和实际大气暴露试验的对比研究,明确了3Ni Sn Sb耐候钢的合金成分设计.采用腐蚀失重、扫描电镜、X射线衍射、激光拉曼光谱、傅里叶红光谱、X射线光电子能谱、电子探针和电化学测试等方法,研究了3Ni Sn Sb耐候钢在南海海洋大气环境-西沙和海南文昌海域的大气暴露试验腐蚀行为,提出了Ni系耐候钢在南海海洋大气环境下的腐蚀机理模型.西沙海洋大气暴露1年试验结果表明,随着Ni含量的提高,锈层阻滞Cl-侵蚀的能力越强,Cl元素在外锈层中的分布特征越明显,材料的耐蚀性越好.海南文昌海洋大气暴露试验结果表明,3Ni Sn Sb耐候钢的腐蚀失重趋势明显小于Q235B.大气暴露1.5年时3Ni Sn Sb耐候钢的腐蚀速率是Q235B的37%.3Ni Sn Sb和Q235B两种钢在实验室加速腐蚀试验72 h的相对腐蚀速率的结果与在海南文昌实际大气暴露0.5年的结果一致性非常好,以此推断实验室加速腐蚀试验的加速比为144.西沙、海南文昌海域的大气暴露试验结果均与实验室加速腐蚀试验结果一致,表明实验室加速腐蚀试验方法具有良好的模拟性和合适的加速性,提出了南海海洋大气暴露试验的腐蚀动力学函数方程式.
- 作者：
- 黄涛
- 学位授予单位：
- 钢铁研究总院
- 专业名称：
- 材料学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 李向阳；王向东
- 中图分类号：
- TG178
- 关键词：
- 耐候钢；南海海洋大气；加速腐蚀试验；大气暴露试验；合金元素Sn、Sb；耐蚀机理
- weathering steel; marine atmosphere in the South China Sea; accelerated corrosion test; atmospheric exposure test; tin and antimony; corrosion inhibition mechanism;