不锈钢及其复合板如何正确用于水工钢结构

　　文/  张志修·水利部水工金属结构质量检验测试中心

　　　　乔裕民·河北省水利水电第二勘测设计研究院

　　　　吴尚明·河北省保定水利局

　　　　毕士君·中国腐蚀与防护学会企业理事会

　　本文分析了水工钢结构中越来越多地使用不锈钢及其复合板的盲目目性及其危害，并根据不锈钢各类别的品质，指出可采用的类型及选用原则。

　　随着我国经济实力的增强，水利工程投资的加大，在水工钢结构的设计图纸中越来越多的出现了不锈钢及不锈钢复合板的材料，被用作闸门的面板、钢管的内表面、水封压板、埋件外露面等。然而，从腐蚀与防护学的角度看，这种改变石油盲目性的。其盲点有三：一是认为不锈钢是不会腐蚀的；二是把不锈钢看作一个品种的刚；三是没有注意到在介质中不锈钢与碳钢（包括低合金钢）接触产生电偶腐蚀时，其阴阳极面积比的影响。下面就以上三点先行分析，并根据不适当的使用事例所造成的危害，总结出不锈钢及其复合板应用与水工钢结构的正确方法。

正确认识不锈钢

　　不锈钢就是碳钢中加入了以铬为主的合金元素，当铬含量超过12%时，其表面具有钝化性能，即暴露在氧化性的环境中，可形成附着性、致密性良好的Cr₂0₃薄膜，该膜可以防止下面金属的腐蚀；因此不锈钢更准确的称谓是可钝化钢，不锈钢只是俗称。如果它的钝化膜被破坏了，只要有氧存在就可以重新成膜；但在无氧的环境中，或者说氧的浓度低于临界浓度时，不锈钢有可能成为可锈钢。而氧的临界浓度又依附于环境的PH值、氯离子的浓度、温度、压力及不锈钢的品种等，它不是统一的，其分散性很大。但是在一些特定的条件下，如果不恰当的使用不锈钢，效果往往适得其反。

不锈钢的分类

　　从化学成分上划分，不锈钢的品种不止百种，各有特点。但从金相组织划分可大致分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢。

　　马氏体不锈钢

　　马氏体不锈钢中只添加铬元素，含铬量12~18%.此类钢可通过热处理被淬硬；硬化状态下的耐腐蚀性较退火或软化状态下的耐腐蚀性好，但比奥氏体不锈钢钢看作一个品种的钢；三是没有注意到在电介质中不差。此类钢的代表品种有410、420、440等；它们受焊接热影响很大，适用于制作阀、泵、刀具、轴类，一般不作焊接件使用。

　　铁素体不锈钢

　　铁素体不锈钢不能通过热处理被硬化。含铬量可高达25%,有少量镍；其耐腐蚀性与大多数奥氏体不锈钢基本相同：由于延展性好，可用于承压、或深拉物件。代表品种有442、446等。令人感兴趣的是一些铁素体不锈钢耐应力腐蚀，在氯化物的水中，比18-8奥氏体不锈钢防腐效果使用得更好。

　　奥氏体不锈钢

　　奥氏体不锈钢本质上是非磁性的，而且不能通过热处理使其硬化，只能通过冷加工硬化。一般称为18-8,即含有18%的铬和8%的镍，当然还可能有其他的元素如钼、钛、铌等。代表型号有304、316等，它们是工业上用途最广泛的不锈钢。但含碳量高的品种易产生“焊缝腐蚀”;降低碳含量可使焊缝腐蚀的敏感性降低。

　　双相不锈钢

　　双相不锈钢的固溶组织中铁素体和奥氏体约各占50%,一般较少相的含量至少达到30%。双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物腐蚀性能，可焊性良好，焊后不需要热处理，焊接接头有良好的耐腐蚀性能。双相不锈钢中的一些品种不仅可替代，而且超过奥氏体比不锈钢，可用于中性氯化物环境。

　　沉淀硬化不锈钢

　　沉淀硬化不锈钢是通过热处理可以被硬化和强化的钢。沉淀硬化刚广泛用于航空、军械工业，一般说，这些钢的耐腐蚀性能较18-8不锈钢差，但也有例外。

　　锈钢与碳钢复合板的腐蚀

　　不锈钢因其表面有一层钝化膜，其在淡水环境中实际电位比碳钢的实际电位正；这样，不锈钢与碳钢有电连接的情况下，则形成电偶腐蚀；不锈钢为阴极，碳钢为阳极，碳钢被腐蚀的速度加快。在三门峡黄河水中的挂片实验中，试片为100mm的不锈钢与100mm的碳钢焊接而成；试片中碳钢的腐蚀速度快了2.5倍。如果碳钢和不锈钢各为50mm长，焊成试片，碳钢的腐蚀速度会更大一些。因为淡水的电阻率较大，不锈钢与碳钢的电位差不太大，只能影响到20~80mm，平均为50mm的距离。当不锈钢与碳钢的表面积为1:1时，碳钢腐蚀速率暂定为自然数为底的阴阳极面积比的指数e^s阴/_s阳。当阳极的有效面积小于阴极面积时，阳极的腐蚀速度更快。

不锈钢及其复合扳的腐蚀分析

　　品种选择不当造成的腐蚀

　　国内某一水利工程，排砂底孔的材料注明为不锈钢与碳钢的复合板，但并没有明确为何种不锈钢。在制作时选用了硬度大、耐磨性能好的马氏体不锈钢；设计代表与监理也予以认可。注水一年后，在排水查看时，看到的情况如图1所示。
 

　　图1很惊人地展现出，马氏体不锈钢复合板形成了穿孔，简直令人难以相信。经过分析，发现原因是选错了不锈钢品种。再稍微重复一下，马氏体不锈钢不适宜作焊接件使用，马氏体不锈钢可通过热处理被淬硬，硬化状态比软件状态的耐腐蚀性好；换言之，软化状态的电位低，为阳极。穿孔部位肯定受焊接热影响而软化，周围部位为阴极。加之，充水的一年之内，水处于静止封闭状态，可能含氧量低于临界值（可惜当时没有测定），表面钝化膜失效；这样就成为隐性的电偶腐蚀。按有效阴极面积是阳极面积的5倍，计算腐蚀速率为166；若设计寿命为100年，则100/166=0.6（年）。实际情况不到一年就出现了穿孔。

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