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        貨油艙上甲板用耐蝕鋼的腐蝕行為

        2022-03-18 09:27:30侯元盛左景輝劉常升
        腐蝕與防護(hù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:油艙銹層耐蝕

        侯元盛,左景輝,劉 忱,劉常升

        (1. 東北大學(xué)材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室,沈陽 110819; 2. 中國科學(xué)院金屬研究所,沈陽 110016)

        近些年,海上原油運輸泄漏事故頻發(fā)[1],對海洋生態(tài)造成很大破壞,因此貨油船的運輸安全性顯得尤為重要。通常,運送油氣中的Cl-、CO2、H2S等極易引發(fā)船體及管道的腐蝕失效,造成原油和天然氣外泄[2]。由于耐蝕鋼具備良好的耐蝕性,在貨油船上直接使用耐蝕鋼板,可以大大降低貨油船的維護(hù)成本[3-6]。但耐蝕鋼在實際使用過程中,隨著高酸性、高含硫原油數(shù)量的增加以及使用時間的延長,腐蝕問題依舊存在,尤其是貨油艙內(nèi),原油中易揮發(fā)氣體如H2S等以及為防爆填充的惰性氣體CO2、O2、N2等,都會聚集在頂部上甲板處,加之晝夜交替溫度變化,甲板腐蝕嚴(yán)重,這對整個船體強(qiáng)度及穩(wěn)定性造成了危害[7-12]。本工作采用超大型油輪貨油艙上甲板使用的新制耐蝕合金鋼,通過模擬貨油艙上甲板腐蝕環(huán)境研究其腐蝕行為,以期為該貨油艙上甲板用耐蝕鋼在實際使用過程中的腐蝕防護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

        1 試驗

        1.1 試樣

        試驗材料為新制貨油艙上甲板用耐蝕鋼,該耐蝕鋼是在傳統(tǒng)船用鋼板(E36)基礎(chǔ)上加入適量耐蝕元素Ni、Cu等,其化學(xué)成分如表1所示。

        表1 試驗鋼的化學(xué)成分

        試驗鋼的顯微組織是鐵素體與珠光體,如圖1所示,白色多邊形組織為鐵素體,灰黑色組織是珠光體,在高倍下能清晰觀察到珠光體的片層特征。

        圖1 試驗鋼的顯微組織

        1.2 試驗

        1.2.1 試驗方法

        試驗采用《原油油船貨油艙耐腐蝕鋼材檢驗標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法模擬貨油艙上甲板腐蝕條件[13-16]。試驗裝置如圖2所示,采用恒溫水浴鍋,保持溫度穩(wěn)定在30 ℃;通入氣體組成為13%(體積分?jǐn)?shù),下同)CO2+4% O2+500×10-6H2S+100×10-6SO2+N2余量。試驗時,將下列兩組不同成分的氣體等體積混合后通入試驗容器中:

        圖2 試驗裝置示意圖

        氣體①為(26±4)% CO2、(8±2)% O2、(200±20) mg/L SO2、N2余量;

        氣體②為(1 000±100) mg/L H2S與N2余量。

        前24 h控制氣體流速為100 mL/min,之后為20 mL/min;通過裝置頂部的溫度控制器調(diào)節(jié)試樣溫度,保證試樣在50 ℃持續(xù)19 h,然后25 ℃持續(xù)4h,溫度變換時間為1h,單個試驗循環(huán)周期為24 h。試樣尺寸為60 mm×25 mm×5 mm,試驗前用600號砂紙打磨至光亮,然后用丙酮清洗、吹干,測定試樣尺寸。采用防腐蝕試劑704硅橡膠密封試樣非試驗面,試驗周期為4,8,12,16,20 d,每個周期取三個平行試樣,圖3為試驗過程中試樣溫度隨時間的實時變化圖。

        圖3 試樣溫度變化曲線

        1.2.2 試樣表征

        試驗結(jié)束后,使用SmartLab X射線衍射儀(XRD)、JSM-7001F掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行表征。

        用精密電子分析天平稱量腐蝕試驗前試樣的質(zhì)量,記為Wa。腐蝕試驗結(jié)束后,試樣試驗面用尼龍刷除去浮銹,再用清洗液(由1 000 mL蒸餾水+1 000 mL鹽酸+7 g六次甲基四胺配制而成)清除殘余腐蝕物,之后使用毛刷等工具去除硅橡膠涂料,再用酒精清洗并干燥,涼風(fēng)吹干后稱量,記為Wb。采用空白試樣修正酸洗過程帶來的誤差。用式(1)計算腐蝕速率。

        (1)

        式中:v為腐蝕速率;W為質(zhì)量損失(W=Wa-Wb);S為試驗面積;t為試驗時間;ρ為試樣密度(7.85 g/cm3)。為確保試驗精度,質(zhì)量精確到1 mg,尺寸精確到0.1 mm。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 腐蝕速率

        為了能更加清晰地看出試驗鋼在模擬貨油艙上甲板環(huán)境中的腐蝕速率變化情況,繪制了試驗鋼腐蝕速率平均值與試驗周期關(guān)系曲線,如圖4所示。

        由圖4可見:試樣的腐蝕過程大致可以分為兩個階段:(1) 腐蝕速率快速下降階段(4~12) d,此時腐蝕產(chǎn)物已在試樣上逐漸形成,可以阻擋腐蝕性離子與鋼基體直接接觸,故腐蝕速率快速降低;(2) 腐蝕速率逐漸趨于平緩階段(12~20) d,隨著腐蝕時間延長,銹層增厚,不斷形成的銹層起到保護(hù)作用,腐蝕速率逐漸放緩,并最終穩(wěn)定在0.20 mm/a左右。研究表明[15],傳統(tǒng)船板鋼E36在相同環(huán)境中試驗20 d的腐蝕速率約為0.45 mm/a,新制耐蝕鋼的腐蝕速率遠(yuǎn)小于該值,表現(xiàn)出良好的耐蝕性。

        圖4 試驗鋼試驗不同時間后的腐蝕速率

        將試驗鋼在不同試驗周期下的腐蝕速率(v)與試驗時間(t)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到如下方程,見式(2):

        v=0.001 19t2-0.038 5t+0.496 4

        (2)

        由圖4可見,利用最小二乘法非線性擬合的曲線擬合效果良好,與試驗數(shù)據(jù)吻合度高,能夠大致預(yù)測出試驗鋼在不同試驗周期下的腐蝕速率。

        2.2 宏觀腐蝕形貌

        由圖5可見:隨著試驗的進(jìn)行,試樣表面逐漸變暗,出現(xiàn)的一些黃褐色斑塊是由于水蒸氣低溫時在試樣表面凝結(jié)造成的。這些水滴附著在試樣上,隨著酸性腐蝕氣體的不斷溶解其pH降低,進(jìn)而與鋼基體發(fā)生反應(yīng)。隨著試驗周期的延長,試樣表面不斷生成腐蝕產(chǎn)物,形成如圖5(d)和(e)所示的腐蝕后期較為密集的腐蝕顆粒物。未觀察到點蝕坑說明試樣表面沒有出現(xiàn)明顯的局部腐蝕。經(jīng)過20 d腐蝕后,試樣表面顏色變暗呈灰褐色,且仍未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑。

        (a) 4 d (b) 8 d (c) 12 d (d) 16 d (e) 20 d

        由圖6可見:貨油艙內(nèi)耐蝕鋼發(fā)生的是O2-CO2-H2S-SO2-N2混合氣體下的均勻腐蝕。

        (a) 去除腐蝕產(chǎn)物前 (b) 去除腐蝕產(chǎn)物后

        2.3 腐蝕產(chǎn)物物相

        由圖7可見:耐蝕鋼表面腐蝕產(chǎn)物的物相構(gòu)成主要包括α-FeOOH、FeS2、FeSO4·H2O。其中FeS2、FeSO4·H2O等硫化物是H2S、SO2、H2O與鋼基體反應(yīng)生成的產(chǎn)物,前期較多,后期逐漸減少。α-FeOOH的含量最多,且隨著試驗時間的延長不斷增多。α-FeOOH是一種非常穩(wěn)定的相,會使生成的銹層更均勻致密。

        圖7 試樣經(jīng)不同時間試驗后的銹層XRD圖譜

        2.4 微觀腐蝕形貌

        由圖8可見:經(jīng)過4 d試驗,試驗鋼表面生成了一層相對較薄的腐蝕產(chǎn)物,整體較平整。試驗8 d后產(chǎn)物表面出現(xiàn)裂紋。試驗12 d后裂紋明顯增多,且逐漸形成突起和球狀腐蝕產(chǎn)物顆粒,根據(jù)XRD檢測結(jié)果,結(jié)合相關(guān)研究[14-20]可知其主要為α-FeOOH。

        (a) 4 d (b) 8 d (c) 12 d

        試驗16 d后,試樣表面的突起和較大腐蝕顆粒出現(xiàn)破損,并出現(xiàn)銹層的剝離脫落,裂紋不明顯。試驗20 d后,腐蝕層表面分布著較多破損和較少裂紋。這是因為低溫時水蒸氣在試樣表面凝結(jié)成水滴,逐漸形成腐蝕顆粒,隨著腐蝕時間的延長,腐蝕顆粒不斷長大,隨著試樣升溫至50 ℃并保溫,銹層脫水干燥,腐蝕顆粒表面應(yīng)力集中更加明顯,所以長時間處于50 ℃的試樣表面會出現(xiàn)裂紋、破損,部分區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)脫落。

        由圖9可見:經(jīng)過8 d試驗后,試樣表面裂紋非常明顯,且附近分布著一些球狀腐蝕產(chǎn)物顆粒,XRD與EDS分析結(jié)果表明這些主要為α-FeOOH。試驗12 d后,試樣表面產(chǎn)物開裂程度減輕,同時球狀產(chǎn)物顆粒開始聚集。試驗20 d后,裂紋不明顯,試樣表面覆蓋有大量致密的叢狀及團(tuán)球狀腐蝕產(chǎn)物??梢酝茰y隨著腐蝕的不斷進(jìn)行,穩(wěn)定致密的α-FeOOH不斷生產(chǎn)。這些致密擁擠的團(tuán)球簇,能夠有效保護(hù)鋼基體不被進(jìn)一步腐蝕。

        (a) 8 d (b) 12 d (c) 20 d

        目前,在海洋、大氣等腐蝕環(huán)境中,耐蝕合金元素Ni、Cu等已被證實能夠明顯改善鋼銹層結(jié)構(gòu)[11-12]。其中,Ni元素可促進(jìn)尖晶石類氧化物生成,Cu元素可以作為腐蝕銹層中氧化物的結(jié)晶核心[9]。同時,檢測出的少量Si元素作為易鈍化元素對試驗鋼耐蝕性的提升也有益處。這些耐蝕合金元素顆粒在試樣表面彌散分布,有利于在鋼基體和腐蝕介質(zhì)間快速形成具有保護(hù)功能的腐蝕膜。

        2.5 銹層截面形貌

        由圖10可見:隨著試驗時間延長,銹層逐漸變厚,在腐蝕的各個階段均無明顯分層。腐蝕前期,腐蝕程度相對均勻,銹層整體厚薄一致。隨著腐蝕過程發(fā)展到中期,能明顯看出銹層出現(xiàn)裂紋,這些裂紋多集中于銹層表面,銹層內(nèi)部相對更致密均勻。腐蝕后期,裂紋減少,整體銹層較為致密且連續(xù),無局部腐蝕出現(xiàn),銹層平均厚度約為40 μm。

        (a) 4 d (b) 12 d (c) 20 d

        能譜分析結(jié)果表明,經(jīng)過20d腐蝕試驗后,試驗鋼銹層產(chǎn)物主要含有Fe、O和S元素及少量耐蝕合金元素如Ni、Cu。

        3 結(jié)論

        (1) 貨油艙上甲板發(fā)生的是O2-CO2-H2S-SO2-N2混合氣體下的均勻腐蝕,初期(腐蝕4 d時)腐蝕速率為0.36 mm/a,之后逐漸降低,試驗后期穩(wěn)定在約0.20 mm/a,遠(yuǎn)低于E36船板鋼的腐蝕速率。

        (2) 試驗鋼的腐蝕產(chǎn)物主要成分為α-FeOOH、FeSO4·H2O和FeS2。其中FeS2、FeSO4·H2O等硫化物是H2S、SO2、H2O與鋼基體反應(yīng)生成的產(chǎn)物。穩(wěn)定相α-FeOOH含量最多,且隨腐蝕時間延長,其含量持續(xù)增多,微觀下球狀α-FeOOH不斷生成并聚集呈團(tuán)球簇,這是試驗鋼耐蝕的主要原因。

        (3) 在腐蝕中后期,銹層的裂紋、破損等缺陷逐漸減少,銹層相對致密均勻且無分層現(xiàn)象。

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