飽和H2S溶液中08Cr2AlMo鋼的腐蝕機理與防護對策研究.pdf

1、金屬材料在濕H2S介質(zhì)中易產(chǎn)生全面腐蝕和局部腐蝕。局部腐蝕主要以應(yīng)力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking，簡稱SCC)為主。所謂應(yīng)力腐蝕開裂是指材料在一定的應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境協(xié)同作用下，造成低應(yīng)力破壞或脆性破壞。08Cr2AlMo鋼是國內(nèi)新近開發(fā)的專門用于H2S介質(zhì)條件下的換熱器管束用鋼。本文利用腐蝕失重試驗、電化學(xué)測試技術(shù)、慢應(yīng)變速率拉伸試驗、改進的氫滲透測試和鍵距差方法，對08Cr2AlMo鋼的全面腐蝕、應(yīng)

2、力腐蝕開裂、鋼中氫的行為、氫致開裂機理及其預(yù)防措施進行了系統(tǒng)研究。
　　 本論文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　 通過腐蝕失重試驗和電化學(xué)測試對08Cr2AlMo鋼在飽和H2S溶液中的全面腐蝕行為進行了研究，考慮了溫度、雜質(zhì)離子、氣液兩相區(qū)和腐蝕產(chǎn)物對腐蝕速度的影響，并與不含合金元素的20鋼和含較高合金元素的304不銹鋼進行了對比。結(jié)果表明，室溫下08Cr2AlMo鋼在飽和H2S溶液中的全面腐蝕性能介于20鋼和304不銹鋼

3、之間，處于耐蝕性能第四級(耐蝕等級)。處在氣相區(qū)的08Cr2AlMo鋼的腐蝕速度是液相區(qū)的5～10倍。溶液的溫度、材料表面的腐蝕產(chǎn)物以及雜質(zhì)離子Cl-和H+對08Cr2AlMo鋼在飽和H2S溶液中的全面腐蝕具有促進作用。在這些因素的影響下，其腐蝕形態(tài)開始由全面腐蝕向局部腐蝕轉(zhuǎn)變。
　　 利用慢應(yīng)變速率拉伸試驗、恒載荷試驗、氫鼓泡測試、腐蝕電位和外加電位測試，對08Cr2AlMo鋼在飽和H2S溶液中應(yīng)力腐蝕開裂進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果

4、表明，08Cr2AlMo鋼在飽和H2S溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂類型為氫致開裂，氫致開裂造成材料塑性損失，但對斷裂應(yīng)力影響不大，氫致開裂的發(fā)生是以塑性變形為前提的。雜質(zhì)離子Cl-和H+對應(yīng)力腐蝕開裂具有促進作用。08Cr2AlMo鋼在飽和H2S溶液中未出現(xiàn)氫鼓泡現(xiàn)象。對08Cr2AlMo鋼在飽和H2S溶液中外加陽極電位能夠降低其應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，而外加陰極電位卻增加其應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。慢應(yīng)變速率拉伸過程中，08Cr2AlMo鋼表面腐蝕產(chǎn)物

5、的保護性能隨應(yīng)變量的不同而不同，應(yīng)變量為2％時，腐蝕產(chǎn)物膜的保護性最好；而應(yīng)變量為7％時，腐蝕產(chǎn)物膜的保護性最差。
　　 采用改進的氫滲透方法測定了08Cr2AlMo鋼中氫濃度，并由此計算了氫的擴散系數(shù)、氫的溶解焓等動力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)。改進的氫滲透方法測定鋼中的氫濃度具有很高的測量精度，與傳統(tǒng)的氫滲透法相比，該方法不僅能測定陰極充氫后試樣的氫濃度，還可以測定浸泡充氫后試樣的氫濃度。08Cr2AlMo鋼中的飽和氫濃度和擴散系數(shù)隨塑

6、性變形量的增加而增加；氫的溶解焓和逸出速度隨塑性變形量的增加而減小。浸泡方式充氫時試樣中的氫達到飽和的時間要比陰極充氫時長得多，試樣經(jīng)浸泡充氫后的飽和氫量略小于經(jīng)陰極充氫后的飽和氫量。氫致塑性損失量隨氫濃度的增加而增加，兩者具有良好的線性關(guān)系。導(dǎo)致08Cr2AlMo鋼塑性損失的真正原因是進入試樣中的氫，充氫方式對鋼的塑性損失影響不大。
　　 基于余氏理論，建立了08Cr2AlMo鋼中所含結(jié)構(gòu)單元以及擴散溶解氫后相對應(yīng)結(jié)構(gòu)單元的計

7、算模型，利用該模型計算了各結(jié)構(gòu)單元的價電子結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明，擴散溶解于08Cr2AlMo鋼中的氫與其它原子形成氫鍵，增大了含氫鍵解理面的解理能，而減小了不含氫鍵解理面的解理能，造成結(jié)構(gòu)單元內(nèi)各解理面的解理能大小的顯著差別，改變了鍵絡(luò)分布的對稱性，使材料力學(xué)性能存在嚴重的各向異性。裂紋的擴展將沿著解理能量較小的解理面擇優(yōu)取向，從而導(dǎo)致晶體發(fā)生脆性斷裂。合金元素Cr、Al和Mo能夠提高不含碳的結(jié)構(gòu)單元基體的強度，對塑性損失影響不大。在含碳

8、的結(jié)構(gòu)單元中，碳元素的存在使力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性，且添加上述三種合金元素后，使含碳結(jié)構(gòu)的塑性損失進一步提高。合金元素Cr和Mo通過減小含氫結(jié)構(gòu)單元的各向異性，降低08Cr2AlMo鋼在氫致開裂過程中的塑性損失，合金元素Al對塑性損失的影響不大。
　　 對08Cr2AlMo鋼在飽和H2S溶液中的腐蝕預(yù)防措施進行了研究，探討了表面改性和添加緩蝕劑對垢下腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的防護效果，針對抗H2S應(yīng)力腐蝕開裂用鋼的開發(fā)，提出了改進建議。

9、研究結(jié)果表明，熱浸滲鋁、Ni-P鍍和電鍍鉻可以大大減小08Cr2AlMo鋼在飽和H2S溶液中發(fā)生垢下腐蝕的程度，其中化學(xué)鍍Ni-P的垢下腐蝕速度已接近304不銹鋼的垢下腐蝕，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐蝕性；添加緩蝕劑二乙烯三胺能夠有效地預(yù)防08Cr2AlMo鋼垢下腐蝕的發(fā)生，緩蝕劑的濃度對緩蝕效果有著關(guān)鍵的作用，對于緩蝕劑二乙烯三胺而言，濃度不小于0.2％才具有良好的緩蝕效果。就提高材料本身的抗氫致開裂性能而言，應(yīng)在材料中添加合金元素Cr，且添加量

10、不小于3％；碳元素會增加基體的各向異性，應(yīng)控制其含量，因碳含量降低造成的材料強度損失可以通過添加合金元素Cr等或采用熱處理等手段加以彌補。在08Cr2AlMo鋼表面噴涂Al2O3(87％)-TiO2(13％)涂層，Al2O3涂層和Cr2O3(92％)-TiO2(3％)-SiO2(5％)涂層能夠不同程度地減緩應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生，等離子噴涂層的耐腐蝕性能很大程度上取決于涂層的孔隙率、涂層和基體的結(jié)合強度以及涂層的種類，在上述三種涂層中，Cr