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超级13Cr马氏体不锈钢抗SSC性能研究17超级13Cr马氏体不锈钢抗SSC性能研究SSCResistanceofSuper13CrMartensiticStainlessSteel吕祥鸿,赵国仙,王宇,张建兵,谢凯意。(1西安石油大学,西安710065;2衡阳华菱钢管有限公司,湖南衡阳421001)———LUXianghong,ZHAOGuoxian,WANGYu,ZHANGJianbing,XIEKaiyi。’’(1XianShiyouUniversity,Xian710065,China;2HengyangValinMPMCo.,Ltd.,Hengyang42i001,Hunan,China)摘要:采用四点弯曲实验方法、电化学测试技术及扫描电子显微镜(SM)等分析手段研究了超级13Cr马氏体不锈钢在模拟工况和标准工况中的Hs应力腐蚀开裂(SSC)行为。结果表明:超级13Cr马氏体不锈钢在标准工况条件下具有很高的SSC敏感性,裂纹起源于表面点蚀坑处,HS腐蚀性气体的存在及c1一浓度的增加显著降低超级13Cr马氏体不锈钢的点蚀电位,明显增加超级13Cr马氏体不锈钢的SSC敏感性;在模拟工况条件下,超级13Cr发生SSC的敏感性降低,没有发生开裂现象。关键词:超级13Cr马氏体不锈钢;四点弯曲实验;应力腐蚀开裂;点蚀电位中图分类号:TG172.8文献标识码:A——文章编号:10014381(2011)020017-05Abstract:H2Sstresscorrosioncracking(SSC)behaviorofsuper13Crmartensiticstainlesssteelatthe—simulatedandstandardenvironmentshasbeenstudiedwithfourpointbenttest,electrochemicalmeasurementaswellasScanningElectronMicroscopy(SM)analysismethods.Theresultsshow—thatthesuper13CrmartensiticstainlesssteelbehavesahighSSCsusceptibilityatthestandardenvironments,andthecracksstemfromsurfacecorrosionpitsbecauseoftheoccurrenceofH2SandC1makingthepittingpotentialofsuper13Crmartensiticstainlesssteeldecreasedsignificantly.Whileatthesimulatedenvironments,theSSCsusceptibilityofsuper13Crmartensiticstainlesssteeldecreased,andnocracksarefoundonthesurfaceofthetestspecimen.——Keywords:super13Crmartensiticstainlesssteel;fourpointbenttest;stresscorrosioncracking;pittingpotential随着CO腐蚀日益成为阻碍油田继续开发的主要障碍,耐蚀性能良好的13Cr马氏体不锈钢在油田的应用逐渐广泛起来。塔里木、胜利、文昌和东方等油田已经在一些含cO的油气井中使用了13Cr材料的油套管以确保油气井的安全_1]。普通13Cr由于具有相当高的强度和中等程度的腐蚀抗力广泛用于甜性和中等酸性条件下的腐蚀控制,主要靠添加12~14(质量分数,下同)的Cr在表面形成一定程度的钝化膜,来提高材料的CO腐蚀抗力。但其高温时的均匀腐蚀、中温时的点蚀和低温时的SSC就成为限制普通13Cr广泛应用的主要障碍。近年来,鉴于普通13Cr使用中的局限,超级马氏体13Cr材料已经进入油套管市场,该类合金是由普通API5CT13Cr钢发展而来的,加入了Ni,Mo,Cu等合金元素。相比于普通13Cr不锈钢来说,该类材料具有高强度、低温韧性及改进的抗腐蚀性能的综合特点。在超级13Cr马氏体不锈钢中,将C含量减少到0.03左右以抑制基体中的Cr元素析出成铬的碳化物_4捌;添加5的Ni来获得单相马氏体;同时在钢材中加入微量的合金元素(例如Mo,Ti,Nb,V等),Mo元素起到细化晶粒、提高材料的SSC和局部腐蚀抗力,而Ti,Nb,V等强碳化物形成元素的加入有利于形成弥散分布的碳化物颗粒及高密度的位错结,对位错起到钉扎作用,降低了超级13Cr材料的SSC敏感性。经过改进的超级13Cr℃马氏体不锈钢在直到180的高温CO2腐蚀环境中仍具有良好的均匀和局部腐蚀抗力,同时具有一定的抗Hs应力腐蚀开裂的能力]。本工作在模拟现场腐蚀环—境中,参照NACETM0177--2005及ISO75392标准,运用四点弯曲实验方法和电化学测试技术,研究超级13Cr马氏体不锈钢在标准条件及模拟油田工况条件中的抗S应力腐蚀开裂(SSC)性能。这对于油气田的安全生产及超级13Cr的合理应用具有十分重要的意义。18材料工程/2011年2期1实验方法1.1实验材料实验所用材料为+88.9mm×6.45mmllO钢级的超级13Cr马氏体不锈钢油管,化学成分见表1。采用连铸坯经穿孔和多机架热连轧无缝工艺。热轧后全长淬火和高温回火处理,最终热处理后钢管若须矫直,均采用热旋转矫直。表1实验用料的化学成分(质量分数/%)Table1Chemicalcompositionofmaterialtested(massfraction/)Hs应力腐蚀开裂试样为四点弯曲试样,一般从管壁的中部纵向切取,这样可以使试件的表面与管子的表面平行,规格尺寸满足ISO7539--2标准要求,即115mm×15mm×5mm;电化学测试试样为测试面1.0cm的圆片状试样,厚度为3mm。1.2实验装置SSC加载设备选用C276四点弯曲夹具,模拟工况条件及标准条件实验装置分别选用Fcz一25/25o型磁力驱动反应釜及SSC实验专用设备;电化学测试选用PARSTAT273A电化学工作站。用Olympus—PMT3金相显微镜分析SSC试样裂纹形貌,用JSM一5800型扫描电镜观察断口形貌。1.3实验原理1.3.1SSC实验用砂纸人工将试件表面抛光,最高的砂纸粒度为600,终极划痕与试件的长度方向平行。参照美国石油学会APISpec5CT2()(]1,ISO15156m2003标准,IsO75392:1989《金属和合金腐蚀应力腐蚀实验第2部分:弯梁试样的制备和应用》、抗H。S室内实验评价标准NACETM01772()()5标准,四点弯曲试样加载应力为最低屈服强度的80(110钢级的最低屈服强度为758MPa),即604.6MPa。采用缓慢加载方式,避免加载应力超过实验设计应力。模拟工况条件为CO分压为2MPa,HS分压分别为℃1MPa,温度为14O,介质分别为120,160g/LC1的℃NaC1溶液;标准条件SSC实验温度为24-4-℃_3,溶—液介质为NACETM01772O05标准A溶液(由溶解在蒸馏水中5.0的氯化钠和0.5的冰醋酸组成),实验时间为720h。1.3.2电化学实验℃实验温度为30,实验介质是由分析纯NaC1和蒸馏水配制组成的溶液,介质浓度分别为3.5,10,20。实验前,预先通人高纯N除氧2h以上,实验过程中通入的气体为N,CO,HS。从自然电位开始,以电位扫描速度20mV/min的动电位法进行阳极极化,直到阳极电流密度达到500~1000/aA/cm。为止。2实验结果与分析表2为模拟T况及标准条件下超级13Cr马氏体不锈钢SSC实验结果。图1为模拟工况条件,720h实验后SSC试样表面宏观及微观形貌,可以发现,所有试样均未发现断裂,表面无垂直于张应力方向的微观裂纹,但随着Cl浓度增加,点蚀越来越严重,运用聚焦法测定蚀坑深度,Cl浓度为160g/L时,超级13Cr最大点蚀深度可达26m。图2为标准条件下超级13Cr试样720h实验后的宏观及微观形貌,所有试样均宏观断裂,表面出现大量的垂直于张应力方向的裂纹,因此,试样未通过美国腐蚀工程师协会NACETM01772【)()5标准规定的抗SSC性能检测。表2模拟工况及标准条件下SSC实验结果Table2SSCtestresu1tsinsimu1atedandstandardenvironment图3(a)为标准条件下四点弯曲SSC试样横截面的金相显微分析,从图3(a)中可以看出,裂纹起源于表面点蚀坑处。通过局部的阳极溶解在材料表面形成的点蚀坑可以看成是一个微裂纹,对于无裂纹的试样来说,点蚀坑的形成对应力腐蚀起着重要作用。这是因为点蚀坑的前端会形成应力集中,另外,由于闭塞电池的作用,点蚀坑内部溶液将会局部酸化,从而为析氢反应提供了条件,氢进入试样有可能使点蚀坑扩展而活性炭纤维/树脂复合吸波材料的研究25由于干涉相消或相长而引起总反射的减弱或增强,在反射衰减曲线上引起周期性的波动m]。试样中活性纤维梯度分布后,材料的电磁参数呈现较为连续的分布状态(即波阻抗较为连续的分布),界面反射减少,电磁损耗增强。3结论(1)用黏胶基活性炭纤维作为吸收剂制备的活性炭纤维/环氧树脂基复合材料具有良好的吸波性能,纤维的含量、分布方式对材料的吸波性能有显著的影响。(2)通过不同含量的对比得出:当吸波层中纤维含量为0.5时,复合材料的吸波性能最佳,它的最大吸收峰值达一26.9dB,有效带宽覆盖6.0~18GHz。在吸波层中纤维平均含量相同的情况下,活性炭纤维梯度分布可以显著提高复合材料的吸波性能,吸波层中四个结构层纤维含量分别为0.2,0.4,0.6和0.8时,材料在4.2~18GHz频率范围内对电磁波有一10dB以下的吸收,7.12GHz时取得最大反射衰减一26.6dB。(3)黏胶基活性炭纤维/环氧树脂基复合材料成型工艺简单、成本低,具有一定的应用前景。[1]E2][3]参考文献曾国勋,张海燕,葛鹰,等.碳纳米管/电介质双层吸波涂层衰减—特性分析[J].材料工程,2009,(5):4952.LIYJ,WANGR,QIFM,eta1.Preparation,characterjzati0n———————andmicrowaveabsorptionpropertiesofelectrolessNi-CoPCoatedSiCpowerEJ].AppliedSurfaceScience,2008,254(15):470847I5.—K1MPC,LEEDG.CompositesandwichconstructionsforabI-4]Es][63[7][8][9][1O][11][12]sorbingtheelectromagneticwaves[J].CompositeStructures,—2009,87(2):161167.王召娣,毕辉,张较强,等.微螺旋炭纤维手性复合吸波材料的—研究EJ].炭素技术,2008,27(1):162O.XIEW,CHENGHF,CHUZY。eta1.EffectofFSSonmicro——waveabsorbingpropertiesofhollow。porouscarbonfibercompos-—itesEJ].MaterialsandDesign,2009,30(4):12011204.—SHENGZ,XUZ,IIY.Absorbingpropertiesandstructuralde———signofmicrowaveabsorbersbasedonW-typeLadopedferriteandcarbonfibercomposites[J 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