乙二醇冷卻液中316L和304不銹鋼的腐蝕行為研究*

(武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430205)

輪船上的冷卻系統是保障整個輪船正常航行的關鍵系統。以實船系統(管路、連接件、閥件、泵殼、葉輪和傳感器等)相同的材質，模擬實船總管流速，搭建小型試驗管網腐蝕性能測試平臺，考察了乙二醇冷卻液對管網的腐蝕情況及冷卻液混合物成分、形態的變化，研究了304和316L不銹鋼管路在不同溫度和壓力下的乙二醇冷卻液中的腐蝕行為。

1 試驗部分

1.1 試驗材料和儀器

管網腐蝕性能測試平臺主要由循環泵、定壓補液裝置、分液器、集液器、測試支路(4條)以及相關測試儀表和調節設備構成。管網腐蝕性能測試平臺運行流程示意見圖1。平臺部件包括：泵、測試管件、調節閥、排氣閥、流量計、溫度計和取液裝置等。

該腐蝕性能測試平臺共有4條支路，泵、截止閥、溫度計、分液器、集液器與流量調節部件布置在主流路上，調節閥布置在各并聯支路的兩端，測試管件布置在各并聯支路的中間位置。測試器件主要有裂紋檢測儀、相關化學分析儀器及設備。

1.2 試驗方法

采用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)、清潔度檢測系統(JOMESA HFD)、掃描電鏡(SEM)表面分析以及油品顏色變化分析等手段，對冷卻系統中304不銹鋼、316L不銹鋼在不同溫度和壓力下的冷卻液中的腐蝕情況進行研究[1]。依據對照原則，分4組不同工況進行試驗。冷卻系統中冷卻液的流速為2 m/s，溫度分別設定為25 ℃和50 ℃，壓力分別設定為4 MPa和8 MPa。把兩種材料分別放在4種工況下進行研究和測試，具體工況條件見表1。

2 試驗結果與討論

2.1 腐蝕速率分析

金屬的腐蝕情況主要由其腐蝕速率來判斷，腐蝕速率的大小決定了不銹鋼管在冷卻系統中的使用壽命[2]。304不銹鋼的密度為7.93 g/cm3，316L不銹鋼的密度為8.03 g/cm3，一般用年平均腐蝕深度來表征其腐蝕速率。計算公式如下：

式中：VL——腐蝕速率，mm/a；

m1——腐蝕前金屬質量，g；

m2——腐蝕后金屬質量，g；

ρ——金屬密度，g/cm3；

T——腐蝕時間，h；

S——腐蝕試片面積，cm2。

試驗測得的兩種不銹鋼在冷卻液中的腐蝕速率如圖2所示。

圖1 管網腐蝕性能測試平臺流程示意

表1 4種不同的工況條件

圖2 304和316L在不同工況下的腐蝕速率

由圖2可以看出，隨著溫度和壓力的升高，304不銹鋼材料的腐蝕速率均增大，但總體腐蝕速率很低。316L不銹鋼在4種工況下的腐蝕速率變化不大，且均小于304不銹鋼的腐蝕速率。

2.2 試驗管件內壁腐蝕狀況檢測

為了更好地了解不銹鋼管在冷卻系統的腐蝕情況，對工況4條件下腐蝕前后的316L試驗管件內壁表面形貌進行了SEM觀察分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出，316L不銹鋼掛片在腐蝕前后表面形態發生了一些變化， 腐蝕后顏色變深，加工痕跡變淺[3]。

2.3 冷卻液混合物成分檢測

取工況4下316L不銹鋼材料腐蝕后的冷卻液，使用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定腐蝕產物中溶液部分的金屬離子質量分數，結果如圖4所示。

圖4 冷卻液中的金屬離子質量分數

使用孔徑5 μm濾膜直接進行樣品過濾，濾膜烘干后，用清潔度檢測系統(JOMESA HFD)分析濾膜上的顆粒物，測量腐蝕產物中沉淀部分粒徑≥40 μm和≥80 μm的顆粒物數量，結果如圖5所示。

圖5 腐蝕產物中沉淀部分顆粒物含量

由圖4可以看出，隨著試驗的進行，溶液中Fe，Cr和Ni元素的質量分數逐漸上升，但是總體含量很低，說明316L不銹鋼在冷卻液中發生腐蝕，但腐蝕輕微。由圖5可知，在試驗進行到2個月后，冷卻液混合物中顆粒物數量顯著上升，但是隨著試驗繼續進行，冷卻液混合物中顆粒物數量未見明顯增多，這是因為不銹鋼發生了鈍化反應，所以腐蝕速率進一步降低，說明316L不銹鋼管有很好的耐腐蝕性[4]。

2.4 冷卻液顏色分析

冷卻液顏色的變化既反應了金屬的腐蝕情況,同時也反映了不銹鋼對冷卻液性能的影響。圖6是不同工況下兩種不銹鋼腐蝕后的冷卻液樣品照片。從左到右依次為:304不銹鋼在工況1下腐蝕后的冷卻液，304不銹鋼在工況2下腐蝕后的冷卻液，316L不銹鋼在工況1下腐蝕后的冷卻液，316L不銹鋼在工況2下腐蝕后的冷卻液。

圖6 不同工況下腐蝕后的冷卻液顏色

從圖6可以看出，冷卻液在4種工況下觀察皆為均勻橙黃色，有輕微渾濁,與冷卻液初始狀態相差甚微,說明不銹鋼在該系統中產生的腐蝕對冷卻液性能的影響很小。

2.5 臺架的整體腐蝕情況

試驗完畢后，拆開檢查試驗測試平臺的閥件、墊片、焊接區域等各部位腐蝕情況，結果表明，這些部位并未發現明顯腐蝕。

3 結 論

(1)在冷卻系統中，冷卻液會對304不銹鋼產生一定的腐蝕，隨著溫度的升高和壓力的增大，304不銹鋼的腐蝕速率均增大，但總體腐蝕速率較低。

(2)不銹鋼在腐蝕過程中會發生鈍化反應從而降低腐蝕速率，同時，不銹鋼的腐蝕屬于輕微腐蝕，對冷卻系統中冷卻液的影響很小。

(3)在該系統中，316L不銹鋼的耐腐蝕性和穩定性明顯優于304不銹鋼。