不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为.pdf

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不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为1 不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为2 不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为3 不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为4 不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为5 不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为6 不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为7
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第43卷第3期—2015年3月第2834页材料工Journa1ofMaterials程EngineeringVo1.43No.3—Mar.2015PP.2834不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为StressCorrosionCrackingBehaviorof16Mn—SteelandHeataffectedZoneinAlkalineSulfidewithDifferentpHValue郝文魁,刘智勇,马岩,杜翠薇,李晓刚,(1北京科技大学腐蚀与防护中心,北京2吉林油田公司,吉林松原胡山山100083;138000)——HAOWenkui,LIUZhiyong,MAYan,———DUCuiwei。LIXiaogang,HUShanshan(1CorrosionandProtectionCenter,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;2JilinOilFieldCompany,Songyuan138000,Jilin,China)摘要:利用电化学技术和u形弯试样浸泡实验研究了16Mn钢及其模拟热影响区(HAZ)在不同pH的碱性硫化物和C1一介质中的应力腐蚀开裂(SCC)行为与机理。结果表明:16Mn钢原始组织、粗晶组织(空冷组织)和硬化组织(淬火组织)在pH为11.8的碱性硫化物环境中均近似呈钝化状态,维钝电流密度依次降低;随着pH的降低,原始组织和粗晶组织的阳极过程逐渐由钝化态转变为活化态;HAZ中硬化组织、粗晶组织和原始组织在碱性硫化物环境下的SCC敏感性依次降低,其中硬化组织具有明显的SCC特征;随着pH的降低,SCC裂纹有从沿晶裂纹转变为穿晶和沿晶混合裂纹的趋势,并且裂纹的宽度增加。关键词:16Mn钢;应力腐蚀开裂;碱性;硫化物;pH值doi:10.11868/j.issn.10014381.2015.03.006中图分类号:TG172.8文献标识码:A———文章编号:10014381(2015)03002807—Abstract:Thebehaviorandmechanismofstresscorrosioncracking(SCC)of16Mnstee1anditsheat—affectedzone(HAZ)inalkalinesulfideandC1一solutionmediumwithdifferentpHvaluewasinvesti——gatedbyUbentspecimenimmersingtestandelectrochemicaltechnology.Resultsshowthattheoriginalmicrostructure,thecoarsegrainstructure(aircoolingstructure)andthehardeningmicrostructure(quenchingstructure)exhibitasimilarpassivationstateinalkalinesulfidesolutionwithpH一11.8,—passivecurrentdensitygraduallydecreases;AspHvaluedecreases,anodicprocessoforiginalstructureandcoarsegrainstructuregraduallychangefromthepassivationstatetotheactivationstate.The——SCCsusceptibilityofthehardeningstructure,coarsegrainstructureandoriginalstructureofheataf—fectedzone(HAZ)inalkalinesulfideenvironmentgraduallydecreases,thehardeningstructureexhibitsobviousSCCfeature.WiththedecreaseofpH,SCCcrackstendtochangefromintergranularcrackstotransgranularandintergranularcombinedcracksandthewidthofthecracksincreases.Keywords:16Mnsteel;stresscorrosioncracking;alkaline;sulfide;pHvalue目前高硫、高酸的劣质原油加工和利用量不断提高,石油炼化设备的硫化物腐蚀及应力腐蚀(SCC)问题日益突出l_1]。常减压设备是硫化物腐蚀最严重的区域之一,常采用塔顶注氨的方法将pH调至碱性,防止H。s腐蚀,但随之造成碳钢、尤其是其焊接热影响区(HAZ)在碱性环境下腐蚀开裂问题大量发生。不同pH的碱性硫化物环境下的碳钢腐蚀问题研究。表明在碱性硫化物环境中,碳钢表面会形成钝化膜,钝化膜的耐腐蚀性能和破裂不仅与膜厚度有关,膜的成分也起到较大的作用。杨怀玉等研究发现,碱性硫化物溶液(pH一8)中,硫化物腐蚀过程中阳极第43卷第3期不同pH的碱性环境中16Mn钢及热影响区应力腐蚀行为33环境中硬化组织区与其他组织区会构成电偶,硬化组织区为阴极,其余区域为阳极,使焊缝口。和基体腐蚀速率更快,长时间服役后焊缝发生沟槽腐蚀,将存在残余拉应力的焊缝和硬化区结合部(熔合线)暴露于腐蚀介质中,容易发生SCC。并且,上述的电偶效应会导致硬化区的析氢电流密度增加,加之该区域点蚀坑内或Fe+s膜层下由于Fe的水解导致的局部pH降低,形成局部酸化环境下,会进一步促进局部区域氢向金属中的渗透作用。氢可以聚集在缺陷较多的晶界部位,在这些部位产生局部微裂纹,或促进局部阳极溶解作用,进而加速了裂纹尖端快速溶解,在拉引力作用下产生SCC。而PH的降低会进一步使HAZ的空冷组织以及基体的16Mn钢相对于淬火组织的腐蚀速率更快,导致以上过程加强。随着pH的降低,以上过程加强的同时,S一导致的氢脆作用逐渐加强,SCC裂纹有从沿晶扩展模式转变为穿晶和沿晶混合扩展模式的趋势,并且裂纹的宽度有所增加(图7)。R图816Mn钢及其HAZ碱性硫化物溶液中的等效电路图—Fig.8Equivalentcircuitfor16Mnsteelanditsheataffectedzoneinalkalinesolutionswithsulfide图916Mn钢及其HAZ碱性硫化物溶液中Rf—Fig.9Rffor16Mnsteelanditsheataffectedzoneinalkalinesolutionwithsulfide显微组织对碳钢SCC也起着重要作用,晶格热力学研究表明,组织处于越平衡的状态,碳钢抗SCC能力越高。对于HAZ相当经过了一次热处理过程,其中会出现硬化、粗晶及不均匀组织(图1),并且HAZ组织的晶粒直径d更大,d增大,析出相和晶间偏析也将相应增多,从而晶界能E减小,这些缺陷都会导致碳钢SCC敏感性升高。U型弯浸泡实验(图5)表明16Mn钢原始组织、模拟粗晶组织、模拟硬化组织抗SCC性能逐渐降低,并且pH7.8~11.8的范围内都符合这一规律。上述各因素的综合作用下导致16Mn钢及其HAZ在碱性硫化物环境中SCC敏感性顺序为:淬火组织>空冷组织>原始组织(硬化区>粗晶区>基体)。4结论(1)16Mn钢原始组织、模拟粗晶组织和硬化组织在不同pH的碱性硫化物环境中交流阻抗逐渐升高,pH一11.8时均近似呈钝化状态,维钝电流密度依次降低;随着pH的降低,原始组织和粗晶组织的阳极过程逐渐由钝化态转变为活化态;硬化组织与其他部分构成电偶,腐蚀速度较低,且其为阴极,析氢电流密度较高,长期服役后靠近熔合线部分发生腐蚀暴露出残余拉应力区,引起SCC。(2)HAZ中模拟硬化组织、粗晶组织和原始组织在pH7.8~11.9的碱性硫化物环境下的SCC敏感性依次降低,硬化组织具有明显的SCC特征,原始组织SCC敏感性较低。(3)碱性硫化物环境下,随pH降低,氢脆作用逐渐加强,SCC裂纹有从沿晶裂纹转变为穿晶和沿晶混合裂纹的趋势,并且裂纹的宽度增加。参考文献一一一一一一一一一~~一一~.一~一一一~诋一一一一一一~一一一~~一一一~一一~一一一~一一一一一~~~一一~一一一一~一1234材料工程2O15年3月—ChinSocCorrosProt,2000,20(1):814.—[8]GUPTADVS.Corrosionbehaviorof1040carbonsteel[J].Cor—rosion,1981,37:611621.[9]BOUETJ.CorrosionproductsofmildsteelinH2Senvironments—[J].ComptsRendus,1963,256:19721973.—[1o]SAIVAREZZARC,VIDELAHA,ARVIAAJ.Theelectrodis—solutionandpassivationofmildsteelinalkalinesulphidesolu—tions[J].CorrosSci,1982,22:815829.[11]VERAJ,KAPUSTAS,HACKERMANNJ.Localizedcorrosionofironinalkalinesulfidesolutions[J].ElectrochemSoc,1986,—133(3):461473.[12]刘烈炜,胡倩,郭讽.硫化氢对不锈钢表面钝化膜破坏的研究—[J].中国腐蚀与防护学报,2002,22(11):2226.—LIULiewei,HUQian,GU0Feng.Studyondestroyprocessof—1Cr18Ni9Tistainlesssteelsurfacepassivefilmbyhydrogensul—fide[J].ChinSocCorrosProt,2002,22(11):2226.[13]马琦,张玮,叶童航,等.Q345R钢焊接热影响区在碳酸钠和硫化—氢混合介质中的应力腐蚀行为[J].材料保护,2012,35(3):2729.——MAQi,ZHANGWei,YETongxiao,eta1.StresscorrosionbehaviorofheataffectedzoneofQ345Rsteelinmixedcorrosivemediumcontainingsodiumcarbonateandhydrogensulfide[J].—MaterialsProtection,20l2,35(3):2729.—[14]SMAN10V,KITTELJ,FREGONESEM,eta1.Acousticemis—sionmonitoringofwetHzScrackingoflinepipesteels:applica—‘———tiontohydrogeninducedcrackingandstress-orientedhydrogen—inducedcracking[J].CorrosSci,2011,67:112.[15]PANOSSIANZ,ALMEIDANL,RAQUEIMF.Corrosionofcarbonsteelpipesandtanksbyconcentratedsulfuricacid:areview[J].CorrosSci,2012,58:111.[16]DOMIZZIG,ANTERIG,OVEJIEROGJ.Influenceofsulphur—contentandinclusiondistributiononthehydrogeninducedblistercrackinginpressurevesselandpipelinesteels[J].CorrosSci,—2001,9:326339.[17]HUANGHH,TSA1WT,IEEJT.Electrochemicalbehaviorof——th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布丁老师
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