毕业设计模板(开题报告二次修改).doc

中国石油大学(华东)本科生毕业设计( 论文 )手册专业班级：材控05-1学生姓名：信若飞学 号：05043116指导教师：赵卫民 2009年 2 月 25 日目 录一、任务书二、开题报告三、指导记录四、中期检查表五、指导教师评语六、答辩记录表七、答辩小组评语八、成绩汇总表本科生毕业设计（论文）任务书论文题目深海钻井隔水管表面金属防腐涂层的腐蚀疲劳一研究的主要内容深海钻井隔水管所处的外部环境为海水全浸区，主要的失效原因之一是海洋腐蚀疲劳。本文利用电弧喷涂技术制备铝涂层，对比评价涂层包覆钢以及裸钢的腐蚀疲劳性能，评价金属喷涂层在隔水管上的适用性。 具体安排： 查阅资料了解深海钻井隔水管的相关知识以及主要腐蚀防护方法，并作出评述； 利用电弧喷涂在碳钢基体上制备纯铝涂层； 进行涂层包覆钢以及裸钢光滑试样的腐蚀疲劳试验，评价涂层对疲劳寿命的影响； 进行涂层包覆钢以及裸钢预裂纹试样的腐蚀疲劳试验，评价涂层对裂纹扩展速率的影响； 利用金相显微镜、SEM等进行断口失效分析，探讨涂层对钢基体失效机制的影响； 综合分析试验结果，撰写一篇高水平的毕业论文。 二有关要求1中外文献查阅要求 了解深水钻井隔水管的相关知识，包括材料、工作环境、失效形式、防腐措施等； 了解深水钻井隔水管的受力特点； 了解电弧喷涂设备，学习相关理论知识； 查阅涂层包覆材料腐蚀疲劳研究的相关文献，包括所研究的涂层和基体材料体系、腐蚀疲劳实验方法、实验结果等等； 按照“研究的目的和意义”“国内外研究现状”“需要解决的问题”“课题研究内容”“预期成果”“毕业论文进度安排”撰写开题报告，5000字左右。研究现状围绕“涂层包覆材料的腐蚀疲劳”，进度安排时间跨度为1周； 中文文献至少15篇（不包含参考书），外文文献至少5篇； 按照毕业论文相关格式要求进行。2外文翻译要求翻译与“涂层”和“腐蚀疲劳”两者相关的外文文献1到2篇，总体不少于5000汉字，每篇文献必须翻译完全，不能节选。打印在B5纸上，后面附外文原文，纸张大小要一致，前后附封皮。3、论文撰写要求严格按照学校制定的“本科生毕业设计（论文）撰写规范”的要求，根据毕业设计的内容，写出一篇较高水平的论文，字数不少于10000汉字。要求计算机处理及写作。中文文献至少15篇（不包含参考书），外文文献至少5篇，文中引用的文献按照出现的先后排序并注明出处。三毕业设计（论文）进度安排完成全部毕业设计（论文）的起止期限：2008年2月23日至2008年6月20日。2月23日3月1日：查阅文献，写文献综述；3月2日3月8日：翻译相关的外文文献12篇；3月9日3月15日：准备开题报告，进行试验准备工作；3月16日5月30日：实验工作；6月1日6月10日：对试验进行补充和完善；写作毕业论文；6月11日6月15日：指导教师初审论文，根据情况进行修改；6月16日6月20日：指导教师再审论文，修改后提交。学生(签名)： 指导教师(签名)：系主任(签名)： 年 月 日本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目深水钻井隔水管表面金属防腐涂层腐蚀疲劳1课题的提出与研究的目的和意义据估计，全世界未发现的海上油气储量有90%潜伏在水深超过1000 m 以下的地层。深水钻井采油已经成为未来石油的重要来源。在深水和超深水地区，由于洋流、水深和天然气水合物等因素，传统浅海钻井隔水管不能满足深水钻井的要求, 所以开发深水钻井隔水管迫在眉睫。但是，目前深水钻井隔水管系统整体设计与分析技术仅掌握在少数几个国家相关公司手中，如INTEC、Saipem、Snamprogetti、J P Kenny、Technip、MCS等，引进中存在技术壁垒。我国南海海域有着丰富的石油储量，但是由于开采技术落后，只能在大陆架附近的浅海水域开采。为了提升我国深海石油勘探开发的能力，十分有必要结合我国目前深水开发的现状，开展超深水钻井隔水管设计及应用设计技术研究，为我国南海深水勘探和开发提供有效的技术支持。随着水深的增加和环境的恶劣，在海洋石油钻探时隔水管系统多次发生事故造成停工。腐蚀疲劳是隔水管失效的重要形式。结合国家863项目“深水钻井隔水管系统技术研究”中的子项目“深海钻井隔水管表面金属防腐涂层的腐蚀疲劳”，在查阅国内外关于隔水管表面金属涂层和腐蚀疲劳研究成果的基础上，采用电弧喷涂方法对隔水管表面喷涂耐蚀铝涂层，对比评价涂层包覆钢以及裸钢的腐蚀疲劳性能。2国内外研究现状2.1隔水管概述2.1.1隔水管材料隔水管是连接海底井口与钻井船的重要部件，其主要功能是提供井口防喷器与钻井船之间泥浆往返的通道，支持辅助管线，引导钻具，作为下放与撤回井口防喷器组的载体等。隔水管单根作为钻井隔水管系统的主体，是大直径, 无缝或者焊接强度高且两端有焊接接头的管线。隔水管单根长度一般为22186mm ( 75英尺) , 最长不超过27143 mm (90 英尺) 。壁厚一般为1519、1911、2514 mm 。目前超深水隔水管材料往往选择X80钢。隔水管常用的典型材料有API 5L、X60、X65、X70和X80等。未来深水钻井隔水管材料发展趋势是采用轻质高强度合金材料，降低隔水管质量，减轻钻井船负载。例如，ABB Vetcogray公司的隔水管材料采用的是轻质合金；俄罗斯ZAO公司则采用铝合金1980、K48（主要成分为Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu）作为隔水管材料，在水下钻采过程中铝合金隔水管比相同尺寸的钢质隔水管屈服应力高出1.31.6倍，而重量只有后者的1/3。此外，我国X80管线钢和管线钢管生产应用技术已走向成熟。2.1.2隔水管受力特点隔水管由于载荷的复杂性，作业过程的复杂性，自身结构的大变形非线性，分析方法的不确定性等，使其成为海洋石油装备开发的难点与重点。作为浮式钻井平台中的关键设备，隔水管是整个系统中的重要而又薄弱的环节，同时随着水深的增加，给隔水管带来了一系列的新的问题。隔水管外部承受波浪和海流的作用，加上所连浮体，使得隔水管处于极其复杂恶劣的海洋环境中。深水钻井隔水管振动的基本周期为几秒钟，而波浪的周期一般为630秒，这样很有可能有一个或几个隔水管振动的固有周期落入波浪周期范围之内，从而导致隔水管发生复杂的随机振动。有研究表明，随着风浪流的速度增大，隔水管变形和所受到的弯矩作用增大；随着波浪周期的变化，隔水管的变形和所受到的弯矩变化不明显。但是随海浪波高的增加，隔水管的变形所受的弯矩会增大。涡激振动（VIV）也是引起隔水管疲劳失效的重要原因。在工作状态下，隔水管承受海流的长期作用，来流绕过隔水管将在其背后泄放漩涡。由漩涡泄放激起的隔水管周期性振动即为涡激振动。涡激振动对深水隔水管系统的影响主要有两个方面，一是由于扩大拖拽而增大变形，一是由于VIV引起的波动应力而导致结构疲劳损伤。对于深水钻井隔水管，水下中间部位的变形最大；而在隔水管靠近水面的位置，其弯曲载荷最大。深水隔水的弯曲载荷的最大值出现在离水面以下20-40 m处，这说明该位置是隔水管受力的危险点。这些位置是危险位置，应重点考虑隔水管的强度。2.2海洋腐蚀环境及其防腐措施海洋环境是一种复杂的腐蚀环境。为研究方便将海洋腐蚀环境划分为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区以及海底泥土区五个区域。隔水管工作的敏感区是海水全浸区的深水区。在这种环境中，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物，附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。海洋腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和空泡腐蚀等。此外，还有低频腐蚀疲劳、应力腐蚀及微生物腐蚀等 。影响海水腐蚀性的因素主要有：（1）化学因素，包括氧、二氧化碳、盐度、PH值、碳酸盐溶解度等。（2）物理因素，包括流速、空气泡、悬浮泥沙、温度、压力等。（3）生物因素，包括生物污着等。防止海洋腐蚀的措施除正确设计金属构件、合理选材外，通常有以下几种：（1）刷涂防腐涂料。常用底漆有富锌底漆、环氧云铁。 中间漆和面漆有环氧树脂、氯化橡胶、乙烯树脂、聚氨酯或丙烯酸树脂涂料等。（2）涂层+电化学保护。热喷涂金属涂层外加阴极保护是目前研究的热门。（3）设计构件时要考虑到足够的腐蚀裕量。（4）防生物污损。包括电解防污，刷涂防污漆和防污涂料，如氧化亚铜，DDT，有机锡化合物，动植物提取物，碱性硅酸盐和天然硅晶体等。2.3电弧喷涂防腐涂层电弧喷涂长效防腐技术是使两根带电的金属丝点弧熔融，被压缩空气喷吹、雾化、喷涂至经处理的基体表面，并形成结合良好、致密的金属涂层，然后用封闭剂对金属涂层表面进行封闭，再涂装优质面漆，最终形成长效防腐复合涂层。其是物理屏蔽和阴极保护联合作用。封闭涂层的主要作用是物理隔离各种腐蚀介质对金属喷涂层和钢铁基体的侵蚀，电弧喷涂金属涂层对钢铁基体提供牺牲自己保护钢铁的阴极保护作用。电弧喷涂金属涂层主要有电弧喷涂锌、铝及其合金涂层，封闭涂层包括封闭底层、封闭中间层和封闭面层。喷锌或铝后封闭处理所形成的复合涂层，其耐蚀性比喷锌或铝涂层和封闭涂层两者单独耐蚀寿命值之和高出50130%。这种效应被称为最佳协同效应（Synergy Effect）。电弧喷涂长效防腐复合涂层的寿命推算公式为：复合涂层防腐寿命=（喷铝涂层寿命+封闭涂层寿命）1.52.3。世界各国有大量应用实例证明，电弧喷涂复合涂层防腐蚀寿命可达到30年以上，即使30年以后的维护，也仅需在电弧喷涂层上刷封闭涂料，无需重新喷砂除锈和电弧喷涂。王荣峰等提出了钢铁材料的海洋防护涂层的设计依据，并介绍了用金属、非金属材料对海洋环境下使用的钢铁表面进行涂层防护提高其使用寿命的方法。通过对涂层材料的电化学分析及试验结果表明，提供阴极保护的Zn和Al涂层有优良的耐海水腐蚀性能100m的A1涂层在静海全浸区可提供18年的防护。夏兰廷等研究分析了金属和有机涂层的耐海水腐蚀性能。通过研究油漆涂层、金属喷涂层、金属喷涂层/油漆封闭层共10多种涂层在静海中的耐海水腐蚀性能，在对其耐腐蚀性能简要分析的基础上，选出了最佳的涂装材料。实验结果表明热喷Al涂层具有优良的耐海水腐蚀性能。Hashimoto等研究了Al-Zn合金(Zn：2，6 and15wt)的腐蚀行为，以提高喷涂层的抗海水腐蚀性能。研究结果表明Al-15Zn合金的耐剥离能力明显高于A1-2Zn合金。这种剥离现象是由于涂层中发生局部腐蚀形成的孔洞所致。A1-15Zn合金具有稳定的腐蚀电位和有效的牺牲阳极分布范围。因此，A1-15Zn生成的保护涂层较传统的A1-2Zn合金要好。2.4喷涂层的腐蚀疲劳腐蚀疲劳是指在循环载荷和腐蚀环境协同、交互作用下，工程结构和构件因开裂或断裂提前失效的现象。腐蚀疲劳区别于常规疲劳的地方：（1）腐蚀疲劳条件下，金属材料一般没有明显的疲劳极限，通常采用给定循环次数下的条件疲劳极限。有些金属表现不出疲劳极限的现象。（2）条件疲劳极限同金属材料在大气中的机械性能没有直接的关系。采用提高屈服强度或极限强度的办法对腐蚀疲劳的条件疲劳极限影响很小，有时会有相反的作用。（3）腐蚀疲劳的性能与循环加载的频率和波形强烈相关。因此，在腐蚀疲劳试验时，加载频率不能太高，因为腐蚀疲劳性能会明显依赖实际的加载频率。加载频率越低，腐蚀疲劳便会越严重。（4）钢构件发生腐蚀疲劳时对表面微观几何特性以及机械应力集中不敏感或较少敏感。（5）腐蚀疲劳条件下，往往同时有多条疲劳裂纹萌生，并沿垂直于拉应力的方向扩展，导致碳钢和低碳钢在中性腐蚀介质中的疲劳断口呈现多平面特征。（6）光滑试样在空气中疲劳时裂纹形成寿命约占总寿命的90%，而裂纹扩展寿命仅占10%。腐蚀疲劳裂纹形成寿命减少到仅占腐蚀疲劳总寿命的10%，裂纹扩展寿命则要占90%。腐蚀疲劳过程中存在两种基本的损伤形式。一是循环应力引起的微区金属反复滑移，形成滑移带。二是由腐蚀介质与金属通过电化学反应引起的腐蚀损伤。这两者的作用不是简单叠加，而是存在明显的交互作用，即相互促进。常见的腐蚀疲劳裂纹萌生机理模型主要有4种：（1）点蚀加速裂纹形成理论；（2）形变活化腐蚀理论；（3）保护膜破裂理论；（4）吸附理论。在环境加速的腐蚀疲劳裂纹扩展中起作用的机理至少有六种类型：（1）反应剂迁移到裂纹尖端区域和从裂纹尖端区去除腐蚀产物。（2）通过表面-环境反应产生某种有害的化学物质（如氢），扩展到裂纹尖端前部的区域中并促进裂纹加速扩展。（3）裂纹尖端处的阳极溶解。（4）通过疲劳开裂重复产生新裂纹的新鲜裂纹表面。（5）由于周期性应变使表面保护膜断裂。（6）氧化皮和腐蚀产物堆积在裂纹开裂处，影响了裂纹的闭合状态和裂纹尖端处起作用的局部应力场强度。在工程应用中，能保证构件在腐蚀疲劳条件下安全工作的时间是裂纹的形成阶段和裂纹的亚临界扩展阶段，分别对应腐蚀疲劳裂纹的形成（起始）寿命Ni和裂纹的扩展寿命Np。因此，考虑短裂纹的扩展寿命Ns，工程构件的腐蚀疲劳总寿命Nf可表示为。对含有裂纹式缺陷的构件，其腐蚀疲劳总寿命即为腐蚀疲劳裂纹扩展寿命。对不含裂纹式缺陷的构件，其腐蚀疲劳寿命估算可分两段进行，即腐蚀疲劳裂纹起始寿命和腐蚀疲劳裂纹扩展寿命。腐蚀疲劳裂纹起始寿命用局部应变法估算，腐蚀疲劳裂纹扩展寿命采用断裂力学方法估算。构件腐蚀疲劳寿命预测的基础有两个方面，一个是应变腐蚀疲劳裂纹起始寿命曲线，是采用局部应变法估算构件腐蚀疲劳裂纹起始寿命的基本数据曲线；另一个是腐蚀疲劳裂纹扩展速率曲线，是估算构件腐蚀疲劳裂纹扩展寿命的基础。 大多数腐蚀疲劳实验是在弯曲加载试样或同轴加载试样上进行的。研究疲劳寿命常用旋转弯曲型疲劳试验机，三点或四点弯曲疲劳试验机和悬臂梁往复弯曲疲劳试验机。其中，悬臂梁往复弯曲疲劳试验机由于结构简单，非常可靠和容易操作，美国海军的戴维舰船研究和发展中心也用其进行腐蚀疲劳试验。但是如果发生了屈服，就难以测定峰值应力和应变。K. Tokaji等人通过旋转弯曲疲劳试验得出，Al-2 % Zn涂层试样的腐蚀疲劳强度与大气环境中无涂层的碳钢的强度一样高。因为Al-2 % Zn涂层会发生阳极溶解，但由于涂层的电位比衬底低，钢基体不会发生腐蚀，尽管涂层有约10%的孔隙率且腐蚀液可以轻松的通过孔隙渗入涂层和衬底层之间。然而，在较长疲劳寿命或较低的加载频率时，涂层的腐蚀溶解会很严重并因此剥落。如果涂层完全剥落，其保护效果也就会完全丧失。O. M. Krokhmalnyi认为置于盐溶液，在低周循环强度下，拥有电弧喷涂铝涂层的碳钢和马氏体不锈钢的表观疲劳极限比没有涂层增加了4-5.7倍；而其他方式得到的20#和45#钢的疲劳极限比没有涂层只增加了2.8-3.2倍。Krokhmalnyj还认为铝喷涂层在氯化物溶液中具有稳定的阳极腐蚀电位和低的自腐蚀电流，随着钢中含碳量的增加铝涂层的厚度增加，涂层的保护作用得以延长。Katkov, I. N等在盐水中分别进行了高周疲劳和低周疲劳试验，证明喷铝涂层试样比不喷铝涂层试样的腐蚀速率低，抵抗应力腐蚀开裂能力提高。Hirakawa, Kenji研究了高强钢、耐候钢和不锈钢在海水中的腐蚀疲劳行为，试验在3%盐溶液和低频应力下进行，结果显示海洋结构因为海水腐蚀引起的疲劳强度降低决定于循环载荷的频率。3研究的主要内容（1）设计并制作悬臂梁往复弯曲疲劳试验机。（2）进行涂层包覆钢以及裸钢试样的腐蚀疲劳试验。加工裸钢和涂层包覆钢光滑试样各若干片，测定加速实验下的疲劳寿命。研究腐蚀疲劳裂纹萌生直至断裂的整个失效过程和特点。加工裸钢和涂层包覆钢预制裂纹试样各若干片，测定加速实验下的裂纹扩展速率。研究失效过程和特点，评价涂层产生的影响。（3）利用金相显微镜，SEM等进行断口失效分析，探讨涂层对钢基体失效机制的影响。4预期成果利用腐蚀疲劳试验机测定裸钢及纯铝涂层包覆钢光滑试样在疲劳加速实验下的腐蚀疲劳寿命和预制裂纹试样的疲劳裂纹扩展速率。然后根据公式 （其中C，m均为常数）推出在实际工况条件下隔水管的腐蚀疲劳寿命。最后用金相显微镜，SEM等分析断口形貌并探讨腐蚀疲劳的机理。5毕业设计（论文）进度安排2月23日3月1日：查阅相关文献，试验准备工作；3月2日3月8日：翻译相