比较研究致开裂抗性的API 5 l B和X52MS碳钢

文摘

易致开裂的API 5 l B和X52MS低碳在NACE 177 -钢,177 - B、284 - B的解决方案已经被目前的调查工作。这些钢的金相分析标准NACE TM0284之前和之后进行测试。腐蚀产物的特点是扫描电子显微镜和x射线能量色散谱分析,x射线衍射,随后被确认。因此发现pH值直接影响腐蚀产物的溶解度和氢渗透。两个钢显示广义腐蚀溶液中的177年,和一个不连续膜在溶液中形成的表面177 - b;然而,只有API 5 l B钢嗝测试不及格,在溶液中表现出更大的裂纹长度比177 - a。在溶液中284 - b的pH值较高,钢表现出厚四方硫铁矿电影没有内部开裂。

1。介绍

在最近的几十年里,世界已经经历一个持续的增长对石油的需求及其衍生品。尽管多元化能源矩阵世界的努力,目前的预测仍揭示了相当大的增加对石油和天然气的需求。这种日益增长的需求,事实上,许多国家的目标是获得战略自主权的能量矩阵导致增加开发复杂的石油和天然气来源(1]。这些来源存在更大的地质(深度、压力和温度)、地理(偏远地区和海洋洋流)困难,以及硫化氢含量更高的产品,一般称为酸气。钢材腐蚀管道的硫化氢是一个经常性的问题对于石油和天然气开发和生产行业,这引起了特别的关注后,发现2006年的巴西盐下。硫化氢与其他媒介的特点,如温度和pH值条件下,可能导致全面腐蚀、局部腐蚀、脆化、和管道的裂纹;此外,有一个大的历史事件在阀门和焊接等关节。管道破裂或其部分也有巨大的环境和经济影响由于泄漏和爆炸,导致停止生产(2- - - - - -5]。尽管腐蚀后果是众所周知的,每个现象发生的原因和机制仍不清楚。全面腐蚀是由于铁素体相的优先溶解,它往往体现渗碳体规模(Fe₃C)的形成。局部腐蚀发生铁素体相之间的电夫妇和非金属(如MnS)或金属间化合物(如铁₃C)夹杂物,它表现为点蚀(6,7]。

致开裂的可能机制的步骤(嗝)可以,首先,氢原子在钢铁表面的间隙扩散。它发生的速度取决于铁的包装单元细胞,也就是说,更大的铁素体相中的扩散率(bcc)比在更紧凑的奥氏体相(fcc)。然后,氢离子浓度诱捕地点:点状的缺陷(差距),线性缺陷(混乱),二维缺陷(主要谷物轮廓,三粒结),和不连续性(毛孔和铁等金属间化合物粒子的轮廓₃C、MnS等非金属夹杂物和杂质氧化物)。下一步可以氢原子与其他原子或离子铁结晶网络的这些网站,因此减少网状能源(分离)。的重组之后,这些网站会导致内部的氢原子和增压压力。最后,这增压的形式主要体现为水泡在钢表面和内部裂缝的方向对齐材料滚动(嗝)[2,8]。

由于化学成分的石油、天然气、和生产水相差很大,和实验室测试不能繁殖石油和天然气管道的内部条件,标准测试已经开发碳钢材的资格。碳钢的腐蚀标准测试用于石油和天然气生产建立特定的pH值条件,温度,H₂分压,曝光时间(8,9]。重要的是要注意,这些标准描述的测试解决方案不模拟酸环境,而是提供一个可重复的测试环境的能力评估不同的易感性开裂钢在相对较短的一段时间。在管制造业,它是常见的分类根据其耐腐蚀钢在其中一个测试解决方案。然而,总是有不确定性在试图推断结果基于生产和测试的历史,也就是说,一个产品如何表现在低pH值中最初的设计,适合用于高pH值中。

因此,目前的工作目标是学习API 5 l B的抗致开裂和X52MS钢在177年,177 - B、284 - B NACE的解决方案。腐蚀产物的特点是电子显微镜(SEM)和x射线能量色散谱(EDS) x射线衍射(XRD)进行了分析鉴定。

2。材料和方法

API 5 l X52MS和API 5 l B的碳钢管道通常在巴西生产的。第一个是产生抵抗恶劣的酸的条件,而最后一个是甜或微酸性环境中使用。管道制造根据标准(10]通过三级紧迫的冷成型过程(边压、u型紧迫和形压),其次是纵向埋弧焊,和扩张以调整管道的最终几何。

这些钢的化学成分(表1)是由光学发射光谱法与热陆军研究实验室的3460光谱仪和陆军研究实验室的WinOE软件。


钢	C	如果	锰	P	年代	V	注	“透明国际”

X52MS	0.03	0.21	1.18	0.01	0.000	0.004	0.03	0.01
B	0.10	0.32	0.86	0.02	0.002	0.002	0.02	0.02

API 5 l X52MS钢相当能够支持在H₂S-containing环境,被限定在制造厂通过测试解决方案(表177 -2)。它应该maxima CLR(裂纹长度比),CTR(裂缝厚度比)和CSR(裂纹敏感性比)为15%,5.0%,和2.0%,分别被视为合格(3]。所使用的API 5 l B钢没有热处理,因此不适合所有的酸性环境。这是选择,比较两个钢致开裂的抗性。样品100×20×10毫米都被等离子切割管道的纵向焊缝的大约90度。


钢	FL (MPa)	RL (MPa)	埃尔(%)	硬度(高压₁₀)	韧性−20°C (J)

X52MS	440年	485年	44	173年	403年
B	373年	458年	41	170年	205年

评估他们的抵抗嗝,两个水瓶被用于每个测试,一个包含10 L的测试解决方案(表3和4),另一个100×20×10毫米的样品,每个钢(图51)。这些样本被放置在一个塑料网格在25毫米从船的底部至少15毫米除了对方。螺纹盖和橡胶密封圈关上了船只。一个进气阀导管用于注气、解决方案测试转移。一个出口阀是用于内部减压和气体洗涤。血管和煤气洗涤瓶放置在实验室通风柜配备了硫化氢探测器。测试解决方案是净化空气99.999% 1 h在每升100毫升/分钟的测试解决方案之前转移到测试容器测试解决方案。然后,8.0 L的测试解决方案由正压的转移。测试容器包含测试解决方案是清除每公升1 h在100毫升/分钟的测试解决方案然后饱和99.9%的流量,以确保测试解决方案仍然是饱和96小时的测试。执行的测试是在一个温度。在每一个24小时,一个整除的测试解决方案是为了测量pH值和收集浓度,前者是由碘量滴定的滴定。根据标准测试方法(8),标准的pH值范围177 -一个解决方案是2.6到2.8的测试和< 4.0的测试;177 - b,范围是3.4到3.6初和< 4.0结束时;284 - b开始的范围从8.1到8.3和4.8到5.4结束时测试。在这个工作,和pH值浓度(≥2300 ppm)是在良好的协议与上述NACE标准。96 h后,脱硫过程是由冒泡。测试容器是排干开了,样品在去离子水仔细清洗,干的 ,引入一个包含二氧化硅干燥剂,是连接到真空泵。


化合物	浓度(wt. %)
	177年	177 - b

生理盐水	5.0	5.0
HCH₃首席运营官	0.50	2。5
票₃首席运营官	- - - - - -	0.41


化合物(g L⁻¹)	生理盐水	Na₂所以₄	MgCl₂h·6₂O	CaCl₂	SrCl₂h·6₂O
	24.53	4.09	11.11	1.16	0.042
	氯化钾	NaHCO₃	KBr	H₃薄₃	氟化钠
	0.695	0.201	0.101	0.027	0.003

扫描电子显微镜(SEM)分析是进行表面和横截面Jeol 6350扫描电子显微镜的样品。当地的化学成分是由x射线能量色散谱(EDS)使用一个热C10015探测器由Noran控制系统六个软件。x射线衍射(XRD)分析进行了腐蚀表面使用力量D8推进生态DIFFRAC衍射仪配备。伊娃的软件。为了研究腐蚀产物的进化时间延长浸泡时间,进行进一步实验,从而提供了一个新的示例解决方案284 - b在室温下35天。在这种情况下,按照解决方案的准备和转移阶段284 - b,包含测试解决方案的试验船清除1 h每升284 - 100毫升/分钟然后饱和99.9%,在同一流量(即1 h。、非平稳的条件)。

3所示。结果与讨论

API 5 l X52MS碳钢显示ferritic-bainitic矩阵高的晶粒细化和随机夹杂物分布(图2(一个))。另一方面,API 5 l B碳钢显示ferrite-pearlite微观结构和带(图的存在2 (b))。

(一)

(b)

横断面分析API 5 l X52MS样品没有揭示裂纹的发生在任何的测试解决方案(表5),这可能是由于低浓度与后续低合金元素偏析和微结构的条带。API 5 l B样品获得高价值的CLR和CTR的解决方案177年,也就是说,40%高于177 - B平均在溶液中观察到,在溶液中,未发现裂缝284 - B,如表所示6。


177年				177 - b				284 - b
CP	CLR	CTR	企业社会责任	CP	CLR	CTR	企业社会责任	CP	CLR	CTR	企业社会责任

1	0	0	0	7	0	0	0	12	0	0	0
2	0	0	0	8	0	0	0	13	0	0	0
3	0	0	0	9	0	0	0	14	0	0	0
4	0	0	0	10	0	0	0	15	0	0	0
5	0	0	0	11	0	0	0	16	0	0	0
地中海	0	0	0	地中海	0	0	0	地中海	0	0	0


177年				177 - b				284 - b
CP	CLR	CTR	企业社会责任	CP	CLR	CTR	企业社会责任	CP	CLR	CTR	企业社会责任

16	26%	3%	1%	21	29%	3%	1%	26	0	0	0
17	35%	4%	1%	22	27%	3%	1%	27	0	0	0
18	48%	4%	2%	23	32%	4%	1%	28	0	0	0
19	35%	5%	2%	24	16%	2%	0%	29日	0	0	0
20.	46%	7%	3%	25	32%	1%	0%	30.	0	0	0
地中海	38%	5%	2%	地中海	27%	2%	1%	地中海	0	0	0

这些结果与氢渗透在钢直接相关。氢离子的浓度降低pH值和沉积膜厚度增加,这只会阻碍氢扩散和渗透到钢铁(6,11]。裂缝可观测到的横截面样品暴露于解决方案的177年和177 - b,分别在数字3和4。

扫描电镜图5(一个)向同一个方向出现了裂缝,即平行于样品表面。图5 (b)显示的细节从钢的MnS夹杂裂纹成核图5 (c)显示的结果EDS分析一个地区一个箭头在图所示5 (b)。裂缝主要是发达在MnS的细长的夹杂物,观察图5 (b)。的组成包含裂纹尖端的人物5 (b)提出了EDS频谱图5 (c),年代和Mn山峰可以清楚地观察到。

(一)

(b)

(c)

众所周知,在H开裂₂年代环境与非金属夹杂物的存在有关,如MnS和Ti或V碳氮化物,带状结构。这些夹杂物也有利于裂缝的异构分布由于更高浓度的氢陷阱在一些地区。种族隔离与高水平的P和S钢铁为氢在材料的积累7,12- - - - - -16]。

表面分析表明,pH值最低的解决方案解决方案(177 -),没有电影形成的样本,如图6(一)和6(b)和EDS分析证实了地区3图6(c),只观察到山峰与铁和锰。碳钢在低pH值表现出广义腐蚀,可能由于高铁素体相的溶解度硫化铁和优惠的攻击(6,7]。在溶液中177 - b,不连续层与结晶度观察表面上的一个区域如图6(d)和6(e), EDS分析表明高硫硫化物(非化学计量菲斯)在图中描述结晶区6(f)。类似的表面特征是在另一个工作报告低碳与H钢在5.0%氯化钠溶液饱和₂年代和pH值4.2 [17]。它是不可能确定任何铁硫化物的XRD分析由于少量腐蚀产物。

在溶液中284 - b在更高的pH值,有大量的不溶性硫化物产生的饱和与H₂年代,如图6(g)和6EDS (h)和确认的区域在图36(我)。这可能厚膜提供了更大的离子物种的扩散阻力,从而阻碍腐蚀过程与不连续电影形成于较低的博士相比表面x射线衍射分析只有确定腐蚀产物形成的解决方案284 - b。腐蚀产物的衍射图曝光(图96 h后获得的7)显示峰值约18°30°35°,38°,50°和54°的相同四方硫铁矿(M),也就是说,正方晶形铁硫化物(18]。类似的衍射图已经被郑报道等。19和周et al。20.]。

铁硫化物多晶型物几件物品已经被确认在石油和天然气管道。最引述一硫化物是正方四方硫铁矿,六角陨硫铁、单斜磁黄铁矿,和六方磁黄铁矿,相对稳定的氧酸媒体(21- - - - - -23]。海水腐蚀试验在室温下使用人工或任何其他盐解决方案饱和硫化氢往往会导致一个或两种类型的铁硫化物,也就是说,四方硫铁矿(活动受欢迎的产品)和磁黄铁矿(热动力青睐的产品)。

为了研究腐蚀产物的时间演化,另一个腐蚀试验是在一个较长时间的浸泡时间解决方案284 - b。获得的衍射图样的腐蚀产物后35天的接触只显示四方硫铁矿山峰(图8)。相比,图7四方硫铁矿的峰值增加和铁峰降低,这可能是由于表面覆盖在浸渍时间和硫化层增厚。

4所示。结论

裂纹阻力似乎与钢铁微观结构和介质酸度直接相关。API 5 l B和X52MS钢显示广义腐蚀溶液中的177年。两个钢形成不连续层暴露在解决方案177 - b。只有API 5 l B钢嗝测试不及格,在溶液中表现出更大的裂纹长度比177 - a。能谱分析表明,裂缝发起的MnS夹杂物。在溶液中284 - b,厚厚的四方硫铁矿钢膜形成,并没有观察到裂纹的微观结构。当API 5 l X52MS钢被暴露在延长浸泡时间,四方硫铁矿是唯一腐蚀产品获得的过程。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢PROEX / UNESP,斗篷,和金融支持(过程2017/11361-5)。

引用

国际能源机构,石油、天然气和煤炭资源储量2013 -技术未来的能源市场,国际能源机构(iea),巴黎,法国。
m·a·Mohtadi-Bonab j . a . Szpunar r·巴苏和m . Eskandari”失败的机制在酸性环境中氢致开裂的API 5 l X70管线钢,“国际期刊的氢能源,40卷,不。2、1096 - 1107年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
“石油和天然气行业ISO——材料用于H₂S-Containing石油和天然气生产的环境——第1部分“技术。众议员ISO 15156 - 1,国际标准化组织,瑞士,2009年。视图:谷歌学术搜索
d·托尔伯特腐蚀科学和技术,CRC出版社,纽约,纽约,美国,2007年。
b . p .天梭和d·h·Welte石油的形成和发生施普林格,柏林,德国,第二版,1984年版。视图:出版商的网站
c, s .郑、陈c和g . Lu”上的H2S分压的影响渗透低碳管线钢氢的”腐蚀科学卷,67年,第192 - 184页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
j·索伊卡m·杰罗姆·m·Sozańska p . Vaňova l . Rytiřova和p . Jonšta”角色的微观结构和测试条件API X52和X60钢硫化物应力开裂,”材料科学与工程:结构材料:性能、显微组织和处理,卷480,不。1 - 2、237 - 243年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
NACE国际”,评价管道和压力容器钢的抗致裂,“技术。众议员ANSI / NACE TM0284, NACE国际,休斯顿,德克萨斯州,美国,2017年。视图:谷歌学术搜索
NACE国际“标准测试方法实验室检测金属的抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂H₂环境中,“技术。众议员ANSI / NACE TM0177, NACE国际,休斯顿,德克萨斯州,美国,2016年。视图:谷歌学术搜索
API 5 l,线管,规格技术。代表,API发布服务,华盛顿,洗,美国,2012。视图:谷歌学术搜索
小林k, t . Omura m . Okatsu t . Hara n .石川,“嗝测试解决方案的提议NACE TM0284缓冲容量,”NACE的程序——国际腐蚀会议系列美国奥兰多,佛罗里达州,2013年。视图:谷歌学术搜索
黄f . j .刘邓z, j . Cheng和李x, z . Lu”组织和夹杂物对氢致开裂敏感性的影响和氢X120管线钢的捕获效率,”材料科学与工程:结构材料:性能、显微组织和处理,卷527,不。26日,第7001 - 6997页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
l . Gan f .黄、赵x j . Liu和y . f . Cheng”捕获氢和氢致开裂的焊接X100管线钢在H₂环境中,“国际期刊的氢能源,43卷,不。4、2293 - 2306年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
m . Elboujdaini和r·w·里维“冶金因素在应力腐蚀开裂(SCC)和致开裂(嗝)”固态电化学杂志》上,13卷,不。7,1091 - 1099年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
a·c·帕默和r·a·王,海底管道工程美国俄克拉荷马州PennWell,塔尔萨,2008年,海底管道工程。
m·A·Mohtadi-Bonab和m . Eskandari”,关注不同的影响因素在石油和天然气管线钢氢致开裂,”工程失效分析卷,79年,第360 - 351页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
p .呗,郑,c·陈,“早期腐蚀的电化学特征阶段的API X52钢暴露在H₂环境中,“材料化学与物理卷,149年,第301 - 295页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
j .宁y, b .布朗,d .年轻,和s Nesic”建设和验证pourbaix图低碳钢的硫化氢腐蚀”NACE的程序——国际腐蚀会议系列2015年美国德克萨斯州,达拉斯。视图:谷歌学术搜索
郑,c .周x Chen l . Zhang j .郑y赵,“依赖异常保护财产的腐蚀产物膜上形成H2S-adjacent API-X52管线钢,“国际期刊的氢能源,39卷,不。25日,第13925 - 13919页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
c .周x, z,郑,x,和l .张”的环境条件对氢渗透的影响X52管线钢暴露于高H₂S-containing解决方案。”腐蚀科学,卷89,不。C, 30-37, 2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
史密斯、b .布朗,w .太阳,“纸11081 NACE国际”NACE的纸11081国际学报》上美国德克萨斯州,休斯顿,2011。视图:谷歌学术搜索
•克雷格,“腐蚀产品分析——一个路线图腐蚀在石油和天然气生产,”材料性能第41卷。。8日,56-58,2002页。视图:谷歌学术搜索
s . n .史密斯”,在油气管道腐蚀产品分析,”材料性能,42卷,不。8日,44-47,2003页。视图:谷歌学术搜索

国际期刊的腐蚀

文摘