模拟保温层下20钢腐蚀行为的实验研究

模拟保温层下20钢腐蚀行为的实验研究

0coi相关研究储层腐蚀（cui）是指发生在包裹建筑材料的管道或设备表面的腐蚀现象。随着20世纪70年代世界能源危机的爆发,促进了保温技术的推广应用,在取得显著节能效果的同时,也诱发了导师:巩建鸣教授更多CUI。特别是在保温节能技术广泛应用的石油化工行业,超过60%的管道故障是由CUI引起的,每年由于CUI导致设备和管道发生的跑、冒、滴、漏故障以及非正常停车所造成的损失高达数十亿美元。因此,为了能够最大程度地减缓并抑制CUI的发生,对CUI的机理、检测技术以及防治和控制措施等方面展开研究是十分必要和重要的。目前,有关CUI的报道多针对其检测技术以及现场失效案例的介绍,对CUI过程的监控、机理的探究以及性质分析等方面定量和定性的基础性研究几乎没有涉及。因此,作者自行设计和建造了CUI模拟试验装置,研究了20钢在模拟条件下的保温层下腐蚀行为,给完善CUI检测与预防措施提供更加可靠的理论依据和技术支持。1样品的制备和测试方法1.1浸泡和管试样的长度试验材料采用20优质碳素结构钢管,其规格为ϕ22mm×3mm,化学成分(质量分数/%)为0.200C,0.210Si,0.410Mn,0.015P,0.007S,0.060Cr,0.160Cu,0.050Ni。浸润管试样的长度为200mm,两端各有20mm的螺纹;而浸泡试样则采用长度为15mm的环试样。试样外表面依次用180#,280#,400#和600#砂纸依次打磨,换砂纸时改变打磨方向(90°),每次都打磨掉前一道痕迹,打磨完毕后,先用滤纸擦去污物,再用脱脂棉分别蘸取酒精和丙酮擦洗,最后再用干净的滤纸包好放入干燥器中备用。保温材料选用岩棉板,规格80kg/50mm,导热系数约0.044W·m-1·K-1。其中,包裹在管试样外部岩棉板的尺寸为160mm×60mm×25mm,并在距离试样端60mm处的岩棉外表面上预制长为15mm的缝隙,使得试验溶液由缝隙透过保温层浸到试样表面,而环试样的外部岩棉板尺寸为160mm×20mm×20mm。1.2cua试验过程浸润试验系统的加热装置为定制的高温循环器,其工作槽尺寸为280mm×190mm×200mm,循环泵流量10L·min-1,最高加热温度可达300℃,温度波动范围±0.2℃。微机智能加热控制系统能够确保升温迅速以及温度稳定,实现在长时间持续高温下进行腐蚀试验。试验时,从高温循环器出液口与进液口接出两根耐高温硅胶管,通过不锈钢卡箍分别固定在两根变径连接件的小径段,大径段则与浸润管试样两端外螺纹进行连接,以此组成装置的循环回路。通过外循环泵实现高温导热硅油的外循环,将加热到设定温度的高温导热硅油充进循环回路,通过高温导热硅油的热传导使浸润管试样外表面达到设定温度。根据相关标准规定,浸润试验溶液分别为质量分数0.01%,0.05%,0.1%,0.5%,1%,3%的NaCl溶液。试样与装置连接好后,用聚四氟乙烯胶带在试样中间进行隔断,形成2个互不影响的管段表面,采用标准绑扎法在管段上分别包裹岩棉保温层,用针管抽取配制的NaCl溶液从保温层上的预制缝隙处进行滴加,直至保温材料被溶液浸润饱和。考虑到实际情况下CUI发生的条件,分别在恒温、冷热交替以及干湿交替3种环境条件下进行试验。恒温温度分别为60,80,100,120℃;冷热交替为80,120℃进行交替,80℃保温20h,120℃保温4h;控制干湿交替的温度与冷热交替的相同,但在120℃时为使保温层结构干燥,不滴加任何溶液。恒温和冷热交替条件都是每隔4h滴加NaCl溶液,使保温材料重新被溶液浸润饱和来维持保温层的潮湿,每组模拟试验进行120h。与此同时,将包裹保温材料的浸泡试样分别悬挂浸泡在盛有0.01%,0.1%,1%NaCl溶液的磨口烧瓶中,并置于恒温油浴进行120h的浸泡试验。采用BP211D型电子分析天平测算出浸泡试样腐蚀前后质量变化,求出试样在不同条件下的腐蚀速率。采用JSM-6360LV型扫描电镜(SEM)及其附带的GENESIS2000XMS60EDS型能谱仪(EDS)对浸润试样表面腐蚀形貌及腐蚀产物化学成分进行观察和分析。2试验结果与讨论2.1腐蚀速率的总体变化由图1可以看出,随温度的升高,不同质量分数NaCl溶液条件下,20钢的CUI腐蚀速率都是先增后降,80℃时的腐蚀速率最大,100℃时的腐蚀速率仅比20℃时的略高。从图中还可看出,20钢在20,60,80,100℃恒温条件下,腐蚀速率的总体变化趋势是随着溶液质量分数的增加而增大。20℃时,随着NaCl溶液质量分数的增加,腐蚀速率的变化比较平缓;80℃下腐蚀速率随着质量分数的增加持续升高;60℃和100℃在0.01%～0.1%NaCl溶液作用下腐蚀速率呈下降趋势,然后随着质量分数的增加而升高,但都要明显低于80℃的。在60～100℃的范围内,1%NaCl溶液的腐蚀速率明显高于0.01%和0.1%NaCl溶液的,而0.01%与0.1%NaCl溶液作用下的腐蚀速率相差不大;在80℃时,3种NaCl溶液作用下的腐蚀速率分别达到最大;高于80℃后,腐蚀速率出现大幅度减小,100℃时,质量分数对腐蚀速率的影响较小。所以,腐蚀速率受腐蚀介质质量分数和试验温度的影响,但是其中温度的影响占主导。2.2cua腐蚀过程由图2可见,在恒温80℃条件下,随着NaCl溶液质量分数的增加,腐蚀先加剧后减缓。当NaCl溶液质量分数为0.01%时,钢管表面出现较为明显的点蚀现象。随着NaCl溶液质量分数增加,发生点蚀的区域不断向外扩展,腐蚀表面积不断增大,腐蚀强度逐渐增加。当质量分数增加到1%时,试样表面发生腐蚀的区域占80%。但质量分数继续增加至3%时,腐蚀得到减缓,腐蚀面积比0.1%时的还要小。一般认为,金属表面和保温材料间形成的薄层电解质溶液是保温层下的金属发生电化学腐蚀的必要条件,所涉及的阳极反应生成Fe2+,释放出来的电子易被氧夺取,与水分子发生氧去极化反应,生成OH-。阳极反应生成的Fe2+与阴极反应生成的OH-生成次生腐蚀产物Fe(OH)2,该产物在氧气的作用下继续发生反应,其生成的最终腐蚀产物为Fe(OH)3和Fe3O4,其中氧气在整个CUI中发挥了重要作用。由于CUI生成的腐蚀产物比较疏松,对金属表面的保护性较差,通常情况下,一旦腐蚀在金属表面的某处发生,腐蚀就会持续下去。Abayarathna等认为,CUI的环境可看作封闭系统,随着温度的升高,系统内的氧浓度增大,保温层下金属的腐蚀速率也随之增加。但由于本试验的温度高,NaCl溶液会在金属表面及保温层结构中逐渐结晶,将破坏原有电化学腐蚀系统中氧含量的平衡,而使得系统中氧浓度降低,使原本持续增加的腐蚀速率出现大幅度下降。这就是80℃温度下,当NaCl质量分数超过1%时,腐蚀速率出现明显减小的原因。由图3可见,在60℃时,20钢管外表面仍有一些部位未被腐蚀,且腐蚀区域的腐蚀深度也较浅。80℃时腐蚀面积最大,约占总面积的80%。随着温度的继续升高,100℃时的腐蚀面积却大幅度减少。120℃时试样表面被腐蚀的区域较100℃时的更少,腐蚀深度也较浅。根据不同温度下的腐蚀面积和腐蚀深度可知,在1%NaCl溶液中,恒温环境中浸润试样的腐蚀随着温度的升高先加剧后减缓。从图3还可看出,干湿交替下的腐蚀面积最大,且腐蚀深度也最深;冷热交替下试样发生腐蚀的区域明显少于干湿交替条件和恒温条件下的,由此可以得知,干湿交替环境下的腐蚀比冷热交替和恒温环境下的更为严重,冷热交替条件下的腐蚀最轻缓。Kane等也得到了相同结论,即当工业系统受循环操作温度影响时,设备及管道的CUI腐蚀速率总是在干湿交替状态下出现峰值。2.3耐高温下的腐蚀试验结果由图4可见,60℃和0.1%NaCl溶液条件下的试样表面存在明显的珠光体骨架,这与珠光体中的铁素体电位较珠光体的低而使得铁素体作为微阳极被优先腐蚀有关,而渗碳体未被腐蚀。图4(a)中箭头所示为表面形成的多个细小链状孔洞,并逐渐串联在一起,随着腐蚀的进行,将进一步发展成裂纹。80℃和0.1%NaCl溶液条件下的试样表面较为粗糙,无明显可见的珠光体骨架存在,说明腐蚀加重,渗碳体已被完全溶解,沿晶界处也出现裂缝,并有扩大的趋势。100℃和1%NaCl溶液条件下,可观察到少量的珠光体骨架,这说明渗碳体还有部分没有被腐蚀,其腐蚀程度较图4(a)的严重,这与图1,2所示的浸泡试验结果较为吻合。而120℃和0.1%NaCl溶液在冷热交替环境中的腐蚀产物可在材料表面形成致密的膜(图略),这层膜能阻碍腐蚀介质渗入到基体中,抑制了腐蚀的进一步发生,使得腐蚀速率降低。从图4中还可看出,不仅在晶界上形成了裂纹,还在晶界处出现了尺寸较大的孔洞,在整个试样表面上存在大量的点蚀坑,特别是图4(f)的腐蚀程度进一步加剧。综上所述,20钢在干湿交替环境下的腐蚀较冷热交替和恒温环境下的腐蚀更为严重。恒温环境下,随着温度的升高,钢被腐蚀的程度先增大后减小,当温度高于100℃时,钢表面由于腐蚀产物形成的膜以及NaCl溶液的结晶,在一定程度上抑制了腐蚀的发展,这与前面浸泡试验以及宏观腐蚀形貌分析所得结果是一致的,表明保温层下腐蚀性测试结果的有效性。从图5和表1可知,浸润试样表面腐蚀产物中除了有氧、铁元素外,还存在镁、铝、硅、氯、钙、锰等元素,其中氯是通过外加溶液方式进入到腐蚀环境中,而其他元素的来源与外层包裹的岩棉保温层密切相关。岩棉的主要成分为硅、钠、SbO、CaO、Al2O3、MgO、Fe2O3、MnO和K2O等,其中SiO2、Al2O3、CaO、MgO的总量为86%～92%,而Fe2O3和FeO的含量总和也达到5%～12%。所以腐蚀产物中的这些矿物质和金属元素都来自于保温材料本身。3高温及高温作用下cua腐蚀速率的变化(1)随着温度的升高,20钢的保温层下腐蚀(CUI)速率