论文部分内容阅读
随着我国陆地石油和天然气逐渐枯竭,资源丰富的海洋将是我国油气开采未来发展方向。海洋软管相比于碳钢硬管具有可靠性高、耐腐蚀性强和挠度大等诸多优点,是未来海洋集输油气管道的首选,而我国在海洋软管制造领域仍处于起步阶段。铠装层是海洋软管的核心部件之一,主要承受集输油气环境中压力,由低合金高强钢构成。服役环境中高浓度酸和其它腐蚀介质容易引起铠装层用钢的腐蚀破坏。铠装层的高强度化能降低海洋软管的自重,增加柔韧性,而高强度钢铁材料对硫化物应力腐蚀断裂更加敏感。然而,高强度和耐多场腐蚀是对海洋软管铠装层用钢的严苛要求。本文基于物理冶金学和腐蚀电化学相关知识,研究开发海洋软管铠装层用高强钢,为实现我国海洋软管的国产自主化提供技术支撑。本文拟开发力学性能满足ReL≥700MPa,Rm≥780MPa,A≥5%的海洋软管铠装层用高强钢,该钢需经过热轧、冷成形和热处理工艺制备,应具有优良的抗氢致开裂腐蚀(HIC)、抗硫化物应力腐蚀断裂(SSCC)、抗氢脆腐蚀(HE)、抗高温高压C02腐蚀、抗高温高压H2S/C02腐蚀和抗海水腐蚀。论文的主要研究内容及创新性结果如下:(1)基于减量化合金成分设计原则,设计了实验钢的化学成分,通过冶炼、热轧、冷成形和热处理实验,制备了满足力学性能要求的实验钢。通过相关标准实验研究了不同热处理制备实验钢的HIC、SSCC和HE行为。结果表明,具有回火马氏体组织的实验钢力学性能为ReL=780 MPa,Rm=812 MPa,A=15%,该钢满足相关标准对SSCC和HE要求,具有良好的抗氢诱发腐蚀断裂性能。通过浸泡实验研究了回火马氏体实验钢的高温高压CO2腐蚀行为、高温高压H2S/C02腐蚀行为和海水腐蚀行为,实验钢的腐蚀速率分别为1.72mm/y、1.44mm/y和0.046mm/y,具有较低表面腐蚀速率,满足服役环境对海洋软管铠装层用高强钢要求。相关腐蚀实验研究表明,在实验室成功研发具有优良抗氢诱发腐蚀断裂和抗表面腐蚀的海洋软管铠装层用高强钢。(2)依据NACE TM 0284标准、NACE 0177标准和ASTM F519标准分别开展HIC实验、SSCC实验和HE实验,研究了不同热处理工艺制备实验钢的HIC腐蚀行为、SSCC腐蚀行为和HE腐蚀行为。结果表明,退火热处理实验钢具有较差抗HIC和SSCC性能,回火马氏体组织实验钢满足相关标准对SSCC和HE要求,具有良好抗氢诱发腐蚀断裂性能。依据实验结果,阐释了不同热处理工艺制备实验钢的氢诱发腐蚀断裂机理。(3)通过浸泡实验系统研究了实验钢的高温高压CO2腐蚀和高温高压H2S/CO2腐蚀的腐蚀行为和机理。实验结果表明,实验钢经过高温高压CO2环境腐蚀后,主要腐蚀产物为立方状FeCO3,经过高温高压H2S/CO2环境腐蚀后,主要腐蚀产物为FeS,呈现四方硫铁矿和硫化亚铁两种结构。本文中H2S分压与CO2分压的比值较大,高温高压H2S/CO2环境下化学反应以H2S为主,H2S的加入抑制了 CO2与H2O反应。在高温高压CO2环境和高温高压H2S/CO2环境下,试样表面优先形成含Cr和Mo腐蚀产物。在高温高压CO2环境下,由于FeCO3易于溶解在溶液中,需较长腐蚀时间才能全面覆盖试样表面。在高温高压H2S/Cv2环境下,由于FeS易于在试样表面堆积,较短腐蚀时间后即全部覆盖试样表面。由于表面腐蚀产物能阻止溶液中离子进入铁基体,在腐蚀初期,实验钢在高温高压CO2环境下腐蚀速率大于高温高H2S/CO2环境下腐蚀速率,当腐蚀产物完全覆盖试样表面后,两者腐蚀速率相近。H2S的加入促进腐蚀产物更快在试样表面形成。(4)在高温高压CO2环境下,Cr、Mo和Cl元素主要在内锈层富集,Fe元素在外锈层中含量高于内锈层;在高温高压H2S/Cv2环境下,Fe元素均匀分布于腐蚀产物中,S元素倾向在外锈层富集,Cr和Mo元素在内锈层富集。依据实验结果,揭示了实验钢的高温高压CO2腐蚀和高温高压H2S/CO2腐蚀的腐蚀机理。(5)通过浸泡实验系统研究了实验钢的海水腐蚀行为和机理。实验结果表明,实验钢经过模拟海水腐蚀后,腐蚀速率随着腐蚀时间延长逐渐降低,腐蚀过程由3个阶段构成,主要腐蚀产物为α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4,试样表面优先形成含Cr和Mo的腐蚀产物。(6)基于实验室研究结果,优化了合金成分并进行了工业化试制,研究了工业试制钢的SSCC腐蚀行为、HE腐蚀行为和海水腐蚀行为。结果表明,调质热处理工业试制钢的力学性能满足设计要求,满足相关标准对SSCC和HE要求,具有良好的抗氢诱发腐蚀断裂性能。在海水环境下腐蚀速率较低,满足服役环境对铠装层用钢要求。研究结果表明,工业试制钢满足服役环境要求。(7)通过实验室研究和工业化试制,成功研发出满足700 MPa级强度要求的海洋软管铠装层用高强钢,该钢具有良好抗氢诱发腐蚀断裂性能和抗表面腐蚀性能。