碱性环境下的碳钢腐蚀问题.docx

碱性环境下的碳钢腐蚀问题 随着高硫和高酸原油产量的逐年增加，原油强化设备的乳化过程日益突出，减压装置是各类型硫腐蚀的严重地区。为了避免hs腐蚀，通常采用塔内氨基法将ph值调节为碱性。然而，在碱性环境下，大量的碳管道发生腐蚀和破坏，尤其是影响焊接热的地区（haz），造成巨大的经济损失和严重事故。 对碱性硫化物环境下的碳钢腐蚀问题的研究表明,在碱性溶液中,硫化物对碳钢钝化具有一定的促进作用,碳钢表面会形成钝化膜,膜的厚度和成分对钝化膜的耐腐蚀性能和破裂起较大作用.在研究H2S腐蚀过程中发现,pH值为8时,碳钢阳极极化曲线出现明显的钝化区,其钝化是由于在电极表面生成陨硫铁所致.在pH值为10.9的硫化物溶液中阳极极化初期,碳钢表面形成保护性黄铁矿;而有研究认为,在溶液pH值为9一12时,钝化膜中有FeS1+x相存在,且点蚀常在钝化膜下萌生;也有研究同意这一观点,认为在pH值为8.4的硫化物溶液中,也会存在FeS1+x相,且钝化膜破裂是由于FeS1+x斑点在氧化膜缺陷上成核与生长,并且点蚀在此斑点下形成;有研究表明,在pH值大于12的硫化物溶液中,硫化物离子能抑制碳钢表面氧化膜生长,钝化膜直接被侵蚀后破裂,钝化膜中不存在Fe的硫化物,只有Fe的氧化物和单质S.也有研究表明,在硫化物环境中,腐蚀和酸性介质会在氧化膜上形成的FeS1+x层与残余氧化膜及金属基体反应.然而,已有研究大多关注硫化物在碱性环境下的钝化膜和点蚀问题,对这一环境下碳钢的应力腐蚀问题研究较少.对碳钢及其HAZ的应力腐蚀问题的研究大多围绕在酸性条件下进行,表明在酸性硫化物环境中碳钢具有较高的应力腐蚀敏感性,且HAZ相对于基体的应力腐蚀敏感性较高,随pH升高,硫化物环境下钢的应力腐蚀敏感性降低,碱性硫化物环境中碳钢应力腐蚀开裂(SCC)敏感性不高,而对实际碱性硫化物和Cl-环境下产生的碳钢SCC实验研究,且对碳钢及其焊接HAZ在碱性硫化物和Cl-介质中的SCC行为和机理缺乏分析. 本工作通过模拟常减压塔低输油管实际工作环境,采用动电位极化和交流阻抗法,以及慢应变速率拉伸(SSRT)实验和U形弯试样浸泡实验,研究了16Mn钢及其模拟HAZ在碱性硫化物和Cl-介质中的SCC行为和机理,并对母材和不同HAZ的SCC敏感性进行了比较分析. 1 材料及实验方法 实验材料为16Mn钢,其化学成分如表1所示.采用热处理方法制备焊缝HAZ的不同组织的模拟组织,模拟方法为:将切好的16Mn钢试样放入热处理炉中加热到1250℃保温5—8 min,然后分别空冷和淬火以模拟HAZ中的粗晶组织和硬化组织,把试样打磨至2000号砂纸后抛光,用4%(体积分数)硝酸酒精侵蚀,用Polyvar MET金相显微镜(OM)观察试样显微组织.电化学试样为1 cm2正方形试样,焊接导线后用环氧树脂密封留出1 cm2工作面,将表面用耐水砂纸逐级打磨至1500号砂纸,除油、清洗、脱水后备用.应力腐蚀试样按照GB/T15970标准制作,包括U形试样和SSRT试样,长度方向均平行于材料轴向.试样表面用耐水砂纸顺着试样长度方向逐级打磨至1500号砂纸,除油、清洗、脱水后备用. 根据16Mn钢常减压塔低输油管服役工况,其腐蚀环境为典型低温硫化物和Cl-环境,由于采用注入氨水调节pH值,溶液为碱性.根据实际工况特征,各实验都采用1500 mol/L Na2S+500 mol/L NaCl溶液为模拟介质,利用5%(质量分数)的NaOH溶液调节pH值为11.7.实验前溶液通入高纯N28 h充分除02.实验温度为室温((22±3)℃).由于低输油管运行压力较低(低于0.5 MPa),实验采用常压. 电化学实验在APR多通道电化学工作站上进行,采用三电极体系,16Mn钢原始组织(基材)和不同HAZ试样为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,Pt片为对电极.实验前电极表面除油,连接到电解池内,进行交流阻抗谱(EIS)和动电位极化曲线测试.EIS实验从腐蚀电位开始,振幅约为±10 mV,频率为10-2—104Hz,动电位极化曲线扫描速率为0.5 mV/s.采用U形试样浸泡和SSRT实验研究了16Mn钢及其HAZ的SCC敏感性.U形弯试样是将平板试样压弯至张角30°±1°,然后用螺栓加载至张角为0°(U形).将螺栓部位用硅胶密封、试样表面除油后,浸泡在pH值为11.7的模拟介质中,浸泡实验的最长实验时间为720 h,在实验完成后观察裂纹生长情况.SSRT实验在WDML-30KN微机控制慢应变速率拉伸试验机上进行,拉伸应变速率为1.33×10-6s-1.切取待观察部位,先用丙酮清洗除油,再用清洗液(500 mL HCl+500 mL H2O+3—10 g六次甲基四胺)超声波清洗1 min去除腐蚀产物、去离子水超声波清洗,再用丙酮清洗除