海洋软管用耐蚀钢耐海水腐蚀及抗CO2腐蚀性能研究

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近年来,由于海底油气输送管道遭受腐蚀导致油气泄漏等重大事故频频发生,海洋用管线的腐蚀问题日益受到重视。用于油气开采和输送的管线包括多种材料和结构,而海洋软管因其特殊的结构和优异的性能,具有广阔的发展前景,大有替代硬质管线的趋势。海洋软管中间层所用的金属材料对整体软管性能至关重要,该层材料需要兼具较高的强度和优异的耐腐蚀性能。截至目前,海洋软管技术和市场几乎被国外垄断,我国对海洋软管的研究仍处于起步阶段,迫切需要开发高强度海洋软管用耐蚀钢,以打破国外技术和产品垄断。本文针对海洋静态软管用耐蚀钢进行成分设计,开展工艺和组织性能研究,以及耐腐蚀性能和腐蚀机理的研究。本文的主要研究工作和结果如下:(1)采用低C、Mn元素、低P、S含量,Cr和Mo合金化,Ti微合金化进行了成分设计。通过热膨胀法和组织观察法对海洋软管用耐蚀钢的奥氏体连续冷却过程和组织演变规律进行了研究,建立了实验钢过冷奥氏体的连续冷却转变曲线。结果表明:在连续冷却条件下,当冷却速度小于5℃/s时,得到的室温组织为块状铁素体、珠光体和贝氏体组织,当冷却速度大于10℃/s时,得到的室温组织为针状铁素体和板条贝氏体组织,冷却速度越大,贝氏体板条间距越小且排列越密集有序。(2)通过实验室轧制、热处理实验以及力学性能和组织性能检测,确定了最佳工艺参数:热轧加热温度1150℃~1200℃,一阶段轧制,终轧温度950℃~980℃,水冷后温度820℃~850℃,风冷后温度300℃~350℃,风冷速率2℃/s~5℃/s;热处理加热温度900℃,保温15min,水淬,回火加热温度350℃,保温30min。海洋软管用耐蚀钢通过此工艺处理后可获得良好的综合力学性能,得到的显微组织为均匀细小的铁素体和回火马氏体。(3)通过海水全浸腐蚀实验,用失重法计算海洋软管用耐蚀钢的平均年腐蚀速率,观察和分析腐蚀产物的形貌和物相组成,进一步探索实验钢的耐蚀机理。结果表明:此合金成分和轧制热处理工艺下实验钢腐蚀均匀,未出现明显点蚀坑,腐蚀稳定后的平均年腐蚀速率为0.11mm/a~0.12mm/a:实验钢在海水全浸腐蚀过程中的产物包括γ-FeOOH、Fe3O4.Fe2O3和α-FeOOH。(4)通过高温高压CO2腐蚀实验,计算实验钢在高温高压反应釜内液相和气相环境中的平均年腐蚀速率,对腐蚀产物进行形貌观察和物相组成分析。结果表明:海洋软管用耐蚀钢在温度为75℃,总压为1.2Mpa的液相环境中平均年腐蚀速率为1.23mm/a;在温度为75℃,总压为1.2Mpa的气相环境中抗C02腐蚀性能良好,平均年腐蚀速率为0.03mm/a;实验钢腐蚀均匀,未出现明显局部腐蚀现象,实验钢表面最终腐蚀物为FeC03,腐蚀过程中有γ-FeOOH、Fe2O3生成。(5)通过电化学腐蚀实验,用动电位法测定了实验钢极化曲线,比较了不同腐蚀溶液对海洋软管用耐蚀钢极化行为的影响。结果表明:腐蚀过程中实验钢未出现阳极钝化现象,随着溶液中Cl-浓度的增加,实验钢腐蚀倾向加大;溶液pH值越小,实验钢抵抗破坏的能力越弱;C1-在酸性溶液中对实验钢的腐蚀活性比在中性溶液中大。
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