304不銹鋼管焊縫區(qū)堿性腐蝕的電化學(xué)噪聲檢測

 浙江至德鋼業(yè)有限公司利用電化學(xué)電位噪聲檢測304不銹鋼管焊縫區(qū)在50%氫氧化鈉堿液沸騰溫度下腐蝕過程的電位噪聲譜,觀測相應(yīng)的腐蝕形貌,分析電化學(xué)噪聲譜特征參數(shù)。結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)過程中焊縫處腐蝕電位呈下降趨勢;發(fā)生局部腐蝕裂紋時(shí),電位噪聲時(shí)域譜振幅較大,出現(xiàn)暫態(tài)峰;經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)后的功率密度(PSD)譜出現(xiàn)高頻白噪聲水平,PSD譜高頻線性部分的斜率。測試室溫堿液中304不銹鋼管焊縫處的電化學(xué)噪聲表明,不同腐蝕狀態(tài)的焊縫試樣腐蝕電位及噪聲時(shí)域譜特征不同,可利用K值定性判定是否發(fā)生局部腐蝕,為現(xiàn)場檢測奠定基礎(chǔ)。

 電化學(xué)噪聲(EN)技術(shù)是一種原位、無損的金屬腐蝕檢測方法。電化學(xué)噪聲是電化學(xué)系統(tǒng)中因電極界面反應(yīng)而引起的電極電位(或電流)的自發(fā)波動(dòng),能靈敏地反映腐蝕過程的變化,被認(rèn)為是實(shí)時(shí)檢測的有效方法。相對于諸多傳統(tǒng)的腐蝕檢測技術(shù)它無須施加外界擾動(dòng),能提供較多的局部腐蝕信息且測試設(shè)備簡單。將電化學(xué)噪聲技術(shù)應(yīng)用到核電材料腐蝕研究中,國內(nèi)外學(xué)者做了不少工作。奧氏體不銹鋼在核電工業(yè)中應(yīng)用廣泛,但在服役期內(nèi)易產(chǎn)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂(IGSCC)和晶間腐蝕(IGA)現(xiàn)象,有報(bào)道認(rèn)為蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)的應(yīng)力腐蝕破裂問題是由于在傳熱管與管板或支撐板之間的間隙形成游離堿的濃縮液引起的,進(jìn)而增加了傳熱管的應(yīng)力腐蝕敏感性。故本文研究存在焊接內(nèi)應(yīng)力的304不銹鋼管焊縫區(qū)在50%氫氧化鈉溶液中堿性腐蝕的電化學(xué)噪聲特征。

一、試樣和實(shí)驗(yàn)方法

 試樣由太鋼提供的304不銹鋼管焊縫區(qū)線切割制成,304不銹鋼焊管為1800~1900?氬弧焊,焊條成分為0Cr21Ni10。工作電極尺寸12mm#8mm,工作面依次采用320#~1000#水砂紙打磨,由環(huán)氧樹脂膠泥封涂非工作面,邊緣處采用核工業(yè)理化工程研究所提供的SNO4型密封膠再次密封。用去離子水清洗,經(jīng)酒精脫水后,在空氣中自然干燥、備用。采用經(jīng)典三電極體系,電解池由四口燒瓶改制而成,分接鉑絲參比電極、鉑片輔助電極、工作電極及回流冷凝裝置。加熱測試采用ZF3恒電位儀及ZF10數(shù)據(jù)采集器;常溫測試采用Princeton公司的PARstat2273電化學(xué)系統(tǒng)。測試前工作電極陰極活化5min。每次EN測試1024s,加熱測試采樣頻率為1Hz,常溫測試采樣頻率為2Hz。表面形貌觀察采用PhilipsXL30ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡及OlympusOpticalMicroscopeBX51M金相顯微鏡。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

 1. 沸騰堿液中304不銹鋼管焊縫區(qū)腐蝕過程的電化學(xué)噪聲檢測，將304空白試樣A放入50%NaOH溶液中,每天145?沸騰加熱120分鐘,進(jìn)行EN測試,共持續(xù)9天,腐蝕后的試樣命名為304A1。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后試樣表面出現(xiàn)嚴(yán)重的局部腐蝕。

   a. 時(shí)域譜分析

      圖示出304A腐蝕過程不同測試時(shí)間的腐蝕電位及去除直流分量后的電位噪聲時(shí)域譜  實(shí)驗(yàn)過程腐蝕電位(vsPt)呈下降趨勢(從-445mV降到-560mV以下)。去除直流分量的噪聲時(shí)域譜表明:第1、第2天噪聲波動(dòng)振幅較大,有較少的暫態(tài)峰出現(xiàn);自第3天后,振幅開始逐漸變小;第6天后開始出現(xiàn)較多的暫態(tài)峰,且波動(dòng)頻率加快,表明試樣表面腐蝕狀態(tài)發(fā)生變化。

    b. 頻域譜分析

     經(jīng)快速傅里葉變換得到電位噪聲功率譜密度(PSD)曲線,如圖所示。分析結(jié)果表明: 第1、第2天304A低頻白噪聲水平(WL)比較高,中高頻基本呈線性關(guān)系,斜率K值在-20dB dec-1左右，沒有明顯的高頻白噪聲(WH);從第3天開始,PSD曲線低頻白噪聲逐漸下降,K值增至-13 59dB dec-1,同時(shí)在高頻開始出現(xiàn)了白噪聲;第6天,低頻白噪聲水平有所下降,K值呈現(xiàn)增大趨勢;到第9天時(shí),低頻白噪聲水平降到最低,線性部分斜率K增大到-1066dB dec-1,并且高頻白噪聲也表明局部腐蝕已很明顯。PSD斜率接近于-20dB dec-1,往往是發(fā)生局部腐蝕的標(biāo)志,而斜率遠(yuǎn)小于-20dB dec-1則表明材料處于均勻腐蝕或鈍化狀態(tài),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。斜率K值說明試樣在加熱過程中發(fā)生了局部腐蝕。根據(jù)實(shí)驗(yàn)前后試樣表面完好的304A到具有局部腐蝕裂紋的304A1腐蝕形貌圖,可知高頻白噪聲的出現(xiàn)預(yù)示試樣腐蝕狀態(tài)發(fā)生了變化,出現(xiàn)局部腐蝕裂紋。

 2. 不同腐蝕狀態(tài)304焊縫試樣的電化學(xué)噪聲檢測

   將304A1、空白樣304K和出現(xiàn)局部腐蝕的試樣304B[其表面形貌如圖所示，在室溫(25?)50%NaOH溶液中進(jìn)行不同腐蝕狀態(tài)304焊縫試樣電化學(xué)噪聲測試。圖為3種不同腐蝕狀態(tài)焊縫試樣去除直流后的電位噪聲時(shí)域譜及其功率密度譜。表示出腐蝕電位及PSD曲線的特征參數(shù)。結(jié)果表明:不同腐蝕狀態(tài)的試樣,腐蝕電位及噪聲時(shí)域譜特征不同。未出現(xiàn)腐蝕的304K試樣腐蝕電位比較正,噪聲波動(dòng)幅度比較小。存在局部腐蝕的304A1和304B試樣腐蝕電位比較負(fù),噪聲波動(dòng)幅度明顯比304K試樣大,且出現(xiàn)了較尖的暫態(tài)峰,其中以出現(xiàn)腐蝕裂紋的304A1的電位最負(fù)。PSD譜中:304A1低頻白噪聲水平WL明顯低于其他試樣,存在局部腐蝕的焊縫試樣K值均大于-20dB dec-1,而表面無腐蝕的304K的K值小于-20dBdec-1?？梢?可通過高頻線性部分斜率K值定性判斷試樣表面是否存在局部腐蝕。

三、結(jié)論

 1. 304不銹鋼管焊縫區(qū)在沸騰的50%氫氧化鈉溶液腐蝕過程中,電位噪聲時(shí)域及頻域譜發(fā)生變化,可以采用電化學(xué)噪聲技術(shù)檢測得到定性結(jié)論;當(dāng)出現(xiàn)局部腐蝕裂紋時(shí),電位峰噪聲波動(dòng)幅度明顯變大,且有暫態(tài)峰出現(xiàn),電位PSD曲線在高頻處出現(xiàn)白噪聲,同時(shí)其線性部分斜率K值大于-20dB dec-1。

 2. 不同腐蝕狀態(tài)的不銹鋼焊縫試樣電化學(xué)電位噪聲特征不同,存在局部腐蝕的試樣的電位噪聲波動(dòng)明顯大于未腐蝕試樣,電位PSD曲線高頻線性部分斜率K值大于-20dB dec-1,故可以采用電化學(xué)噪聲方法檢測不銹鋼焊縫是否發(fā)生了局部腐蝕,為現(xiàn)場檢測奠定基礎(chǔ)。