氯化试验研究316 l不锈钢的应力腐蚀开裂敏感性

文摘

slow-strain-rate拉伸试验是用于研究氯离子应力腐蚀开裂(SSC)的行为316 l不锈钢在模拟条件下的有限公司₂在塔里木盆地气田,有限的影响₂,Cl⁻浓度和温度对SCC的敏感性进行了讨论。结果表明,有限公司的增加₂氯含量没有明显影响的316 l不锈钢SCC敏感性。随着温度上升,氯鳞状细胞癌的敏感性增加,和SCC敏感性指数的变化我_{鳞状细胞癌}是明显的。当氯的浓度⁻增加,氯鳞状细胞癌的敏感性也增加。的程度这三个因素对实验结果的影响可以排名如下:温度> Cl⁻>有限公司₂。在这个实验中,当公司的分压₂0.1 MPa,温度为65°C, Cl的浓度⁻是1,20000 mg / L,我_{鳞状细胞癌}316 l拉伸样品最多26.8%。

1。介绍

应力腐蚀开裂(SCC)是指裂纹成核和扩张的现象和随后的断裂的材料在环境媒体的联合行动和压力。应力和腐蚀协同相互促进,他们是不可或缺的。氯鳞状细胞癌是指断裂现象的金属腐蚀介质的共同作用下含Cl⁻和压力。失败造成的事故氯鳞状细胞癌发生在316 l复合管道。

应力腐蚀影响因素可以分为三类:压力、环境和冶金。环境因素,影响金属的鳞状细胞癌,主要是讨论。一般来说,温度越高,应力腐蚀敏感性越强。一些学者认为的SCC过程奥氏体不锈钢在氯腐蚀介质会发生只有当温度超过80°C。但是,SCC的奥氏体不锈钢在室温下也发现了。程(1)认为,溶液中溶解氧含量越高,越容易会发生鳞状细胞癌。在一个完全缺氧腐蚀介质,鳞状细胞癌是罕见的。建筑师et al。2)发现,超级13 cr不锈钢SCC CaCl的完井液₂包含有限公司₂和H₂气体。不全和刘3,4)发现13 cr钢应力腐蚀敏感性高当H₂年代存在,注射后的开裂是抑制有限公司₂。李(5]研究了早期裂纹尖端的电化学腐蚀行为316 l不锈钢在氯化钠溶液在不同压力。他发现了一个严重的裂纹尖端的应力集中,随着压力增加和阳极溶解速率增加,裂纹尖端的电化学腐蚀有密切的关系与裂纹尖端的应力集中和分布。李等人。6)研究了304 l不锈钢点蚀过程应力腐蚀和提出了大致划分的SCC过程奥氏体不锈钢在含氯离子的环境分为两个阶段:(1)破坏,使金属表面钝化膜和(2)的底部坑作为裂纹源和扩大鳞状细胞癌。

2。实验方案

2.1。实验设备

主要工具是万能试验机(图1(一)),一个slow-strain-rate拉力试验机(图1 (b)扫描电子显微镜(图)1 (c))、CS电化学工作站和一个恒温水浴。

2.2。实验样品

焊缝区是弱区316 l不锈钢的腐蚀,和316 l焊接接头局部腐蚀(通常是敏感7,8]。因此,316 l不锈钢样品与焊缝被用作实验材料。316 l不锈钢的成分表中列出1。焊缝的材料成分表中列出2。

根据推荐的nace样本量- tm - 0198样品的总长度是80毫米,测量长度是25.4毫米,拉伸区域的直径是3.81毫米。样品尺寸如图2(一个)。样本抛光明亮的颜色,毅力400年,600年,800年和1200年SiC论文,然后他们99.5%乙醇和蒸馏水清洗解决方案。直径和长度的样品测量和记录。准备慢拉伸试验样本如图2 (b)。

2.3。实验试剂

实验解决方案应该是一致的与水产生的磁场的离子类型、pH值、浓度和总矿化。考虑到实验的时间和可行性,水样中产生Dabei气田被用作实验试剂,和四个级别的Cl⁻浓度是根据测试计划。实验方案与三级蒸馏水制备,和纯化学试剂。准备后,硼酸被用来调整pH值为6.28,然后实验解决方案是备用的放在干燥、阴凉的地方。的成分表中列出的实验方案3。

2.4。实验原理及过程

slow-strain-rate拉伸试验(SSRT)被用来评估材料的应力腐蚀敏感性。鳞状细胞癌将大大降低机械性能,如拉伸率、截面收缩率,最大拉伸强度,断裂吸收能量。越多因素减少,SCC敏感性越高。在相同的应变率、断裂时间越短,鳞状细胞癌的敏感性越高。

SSRT确定应力-应变曲线的316 l不锈钢焊缝样本模拟条件下不同的公司₂分压、不同温度和不同的Cl⁻浓度。样品是夹在夹具位于高压反应釜。在实验中被添加到反应釜中,顶部覆盖是收紧和密封,排气阀打开,反应釜筋疲力尽的空气通过添加氮,然后关闭排气阀。然后,定量有限公司₂被添加到水壶的压力增加;当有限公司₂分压达到预定值,停止通风,进气阀关闭。总压强是控制在16 MPa。实验温度由加热控制套筒在反应釜。拉伸率设置为4e−6 s⁻¹。slow-strain-rate拉伸试验之前,316 l不锈钢的拉伸断裂实验样本进行了空气中记录其力学性能。实验数据将作为一个空白的控制计算的应力腐蚀敏感性。实验条件设置如下:(1)第一组实验来研究有限公司的影响₂分压,有限公司₂分压是设置为0,0.1,0.2,和0.3 MPa,分别温度设置为65°C, Cl⁻浓度为60000 mg / L。(2)第二组实验研究温度的影响,温度设置为25°C, 45°C, 65°C, 85°C,分别有限公司₂分压为0.1 MPa, Cl⁻浓度为60000 mg / L。(3)第三组实验研究氯的效果⁻浓度、氯⁻浓度设置为60000,80000,00000,和20000 mg / L,分别,有限公司₂分压为0.1 MPa,温度设置为65°C。

2.5。选择和计算敏感性指数

根据相关研究结果,金属SCC敏感性指数(我_{鳞状细胞癌})可以通过比较计算金属惰性介质的特征参数与腐蚀介质。SCC敏感性指数(我_{鳞状细胞癌})可以按照下列公式计算: 在哪里我_空气代表在惰性介质和实验参数我_相关系数代表了腐蚀介质的实验参数。

在这篇文章中,骨折后的伸长率,δ₅拉伸试样的被选为SCC敏感性指数和氯化物应力腐蚀敏感性的316 l不锈钢拉伸样品可以通过使用下列公式计算: 在哪里我_δ应力腐蚀开裂敏感性指数,δ_空气是惰性介质中的伸长,δ_相关系数腐蚀介质的伸长。

的公式计算伸长断裂后的样品 在哪里l₀是开始缓慢拉伸试样标距长度和l₁是计量长度后拉伸试样的断裂。

越大我_{鳞状细胞癌}值,金属应力腐蚀的倾向就越大。根据以前的研究结论9,10),使用的一般规则我_{鳞状细胞癌}鳞状细胞癌的敏感性特征如下:当我_{鳞状细胞癌}< 25%,金属没有明显的应力腐蚀倾向;当< 25%我_{鳞状细胞癌}< 35%,金属有一定程度的应力腐蚀倾向;当我_{鳞状细胞癌}> 35%,金属具有明显的应力腐蚀倾向。

3所示。实验结果和分析

3.1。空白的316 l不锈钢拉伸试验结果

拉伸断裂实验在空气、316 l样本和样本中列出的主要机械性能表4。

3.2。公司的影响₂分压应力腐蚀敏感性

3.2.1之上。实验结果

316 l不锈钢焊缝拉伸样本集在65°C,和Cl⁻浓度设置为60000 mg / L。样品的应力-应变曲线的模拟解决方案在不同的公司₂分压数据所示3。图4显示断裂表面形态的扫描电镜图像拉伸试验的优惠券在不同的公司₂分压。测试结果为316 l不锈钢焊接的主要力学性能在不同样本有限公司₂表列出了部分压力5。

从图可以看出3随着公司的增加₂分压,抗拉强度和伸长率的316 l不锈钢焊缝样本并不明显。这表明公司₂SCC敏感性影响不大的316 l不锈钢,可以视为“惰性气体”。从表5可以看出,增加了有限公司₂分压、最大抗拉强度先降低,然后增加,但变化很小。扩展率略有增加但小于50%。部分的收缩率和断裂时间波动的增加有限公司₂分压,但变化不明显。部分的缩率相对较大,这表明316 l不锈钢有很强的承受能力在断裂前塑性变形这个实验。

3.2.2。分析

(1)目前,对铬镍奥氏体不锈钢,最接受SCC机制是阳极滑移溶解。应力腐蚀的发生直接相关的局部溶解金属材料。在液相体系包含有限公司₂,平衡条件相对复杂。H₂有限公司₃,HCO⁻³、有限公司₂⁻³、有限公司₂在解决方案将直接或间接地参与了腐蚀过程去极化的代理,这将大大影响阴极的进步和反应速度。因此,从理论上讲,增加公司的分压₂将加速阴极反应,导致加速腐蚀的金属材料。(2)然而,结果表明,阳极溶解应力腐蚀、应力腐蚀裂纹的根源是材料表面上的孔和微裂缝。因此,钝化膜会极大地影响氯化物应力腐蚀的敏感性。在公司₂饱和的环境,316 l具有良好的钝化膜形成特征;也就是说,公司₂有助于形成一个摘要₃表面钝化膜,从而发挥作用,抑制局部腐蚀的316 l。(3)然而,这些实验条件下(65°C和Cl⁻= 60000 mg / L),表面钝化膜的性质不稳定,拉伸试样的塑性变形是严重的持续的外部压力。这导致常数钝化膜的机械损伤,限制其保护316 l矩阵金属的能力。因此,结果不改变明显增加的有限公司₂分压。(4)图5显示了SCC敏感性指数(我_{鳞状细胞癌})的316 l不锈钢在不同部分的压力有限公司₂根据方程(计算2)。以下的结论可以从图中获得5。当公司的分压₂从0到0.3 MPa,增加整体的应力腐蚀敏感性的变化316 l不锈钢拉伸样品并不明显,略有下降趋势,当Pco最小值是20.2%₂= 0.2 MPa。根据SCC敏感性的基础上的一般规则我_{鳞状细胞癌}价值,没有明显的氯SCC敏感性所示下316 l不锈钢拉伸样品的实验条件。

3.3。温度对应力腐蚀敏感性的影响

3.3.1。实验结果

316 l不锈钢拉伸样品被设定在一个模拟的解决方案的公司₂分压为0.1 MPa, Cl⁻浓度为60000 mg / L。样品的应力-应变曲线的模拟解决方案在不同的温度下如图6。图7显示断裂表面形态的扫描电镜图像在不同温度下的拉伸试验优惠券。316 l不锈钢的主要力学性能在不同的温度下表列出6。

如表所示6和图6316 l拉伸样品的实验结果与温度变化显著。温度是25°C时,材料的力学性能有一个最大值,这表明鳞状细胞癌的敏感性最小。当温度上升到45°C时,所有的机械性能发生了变化,表明样品的力学性能和塑性变形能力没有显著恶化随着温度的增加在这个区间内。然而,当温度达到65°C时,许多材料性能大大降低。塑性变形区域的应力-应变曲线显著缩小,伸长下降近5%,抗拉强度减少19 MPa。这些变化表明,拉伸试样的力学性能和塑性变形能力已经恶化。当温度上升到85°C时,延伸率进一步降低,断裂应变值小于0.5,材料的塑性变形显著减少,抗拉强度下降从532 MPa在65°C到517 MPa,和部分收缩降至77.6%(从83.7%至65°C)。破损的起始时间是显著降低到32.9 h。

3.3.2。分析

基于实验结果的分析,温度对氯的影响的316 l不锈钢SCC如下:(1)从数据我们可以看到6和8,当实验温度很低(< 45°C), 316 l拉伸样品SCC敏感性相对较低。这是由于材料表面的钝化膜的性能是稳定的,和它的自我修复能力更强。随着温度升高,动态平衡的解散和形成钝化膜受损,导致局部腐蚀的可能性。持续压力的作用下,高温加速的动态循环slippage-film rupture-dissolution-repassivation-slippage,它缩短了应力腐蚀成核和扩张所需时间。(2)增加温度会减少点蚀击穿电压Eb100 316 l不锈钢,这将增加点状腐蚀的可能性。此外,温度对腐蚀电位的影响更加突出在没有氧气或低氧含量。(3)增加温度也会增加金属的表面活性的点,加快化学反应速率。众所周知,有一个自然指数温度裂纹增长率和复杂的相互之间的关系;即温度的增加会加速裂纹扩展速率。此外,氯的化学吸附能力⁻在高温下显著增强,导致增加316 l不锈钢的点蚀敏感性和抗点蚀性下降。连续拉伸应力的作用下,成为微裂隙扩展和进一步发展为鳞状细胞癌。(4)数据显示,SCC敏感性指数(我_{鳞状细胞癌})的316 l不锈钢在不同的温度下计算根据方程(2)。从图6图8我们可以总结以下:(我)当温度增加从25°C到85°C, 316 l不锈钢拉伸的应力腐蚀敏感性显著增加,样品展示,在有限的环境₂在塔里木盆地气田,温度是一个重要的因素影响氯鳞状细胞癌的发生316 l。温度越高,越有可能会出现鳞状细胞癌。(2)事件316 l不锈钢SCC的要求达到临界温度的值。当温度高于这个临界值,这些材料将表现出更明显的鳞状细胞癌的倾向。在这些实验条件下,只有当温度达到80°C 316 l不锈钢SCC的倾向。

3.4。氯的影响⁻浓度对应力腐蚀敏感性

3.4.1。实验结果

316 l不锈钢的应力-应变曲线拉伸试样在模拟解决方案有限公司₂分压为0.1 MPa,温度在不同的Cl 65°C⁻浓度图所示9。断裂表面的SEM图像形态下的拉伸试验优惠券不同的Cl⁻浓度是显示在图10。的主要力学性能在不同的Cl 316 l不锈钢焊缝样本⁻浓度是列在表中7。

如表所示7和图9,316 l拉伸样品的拉伸强度略有降低,Cl的增加⁻浓度,但变化并不重要。最小值为517 MPa Cl⁻浓度是1,00000 mg / L。的Cl⁻浓度溶液中几乎没有影响316 L不锈钢承受最大均匀塑性变形的能力在60000年和1 20000 mg / L。拉伸试样的断裂应变与Cl减少一定程度上⁻浓度增加,但应变的变化在不同的Cl⁻浓度范围不同:应变显著减少60000 - 1的浓度范围内,00000 mg / L。Cl的增加⁻浓度显著影响316 l不锈钢SCC敏感性的浓度范围。然而,当Cl⁻浓度增加到20000 mg / L,应变变化不明显。从表可以看出7随着Cl的增加⁻浓度、截面收缩率的样本将大大恶化,这表明拉伸试样的局部塑性变形能力显著降低。此外,拉伸样品的断裂时间会缩短整体,表明材料的SCC敏感性增加。

3.4.2。分析

(1)氯的影响⁻浓度的氯316 l不锈钢SCC敏感性主要是通过促进点状腐蚀和微裂隙。在液体环境下Cl⁻浓缩,Cl⁻选择性地吸附于粗糙表面的焊缝和热影响区和应力集中。的Cl⁻会损害当地的不锈钢钝化膜由于其小半径和渗透能力强,所以容易进入腐蚀形成的保护膜产品。Cl的浓度⁻增加,其穿透金属表面膜增加的趋势。此时,金属表面成为电池的阳极,尽管仍是被动的一部分成为阴极区。因为样品上的连续的拉应力,拉应力可能是本地集中在点与点蚀。加速侵蚀坑将扩大成裂纹。Cl⁻会积累在裂纹尖端,促进裂纹尖端的进一步扩张,降低材料的强度和塑性变形能力,并最终导致鳞状细胞癌。(2)众多慢拉伸试样的断口分析表明,金属腐蚀断裂之前。腐蚀产物主要由铁和铬氧化物、腐蚀产物不含或只含有少量的氯。Cl⁻不参与腐蚀反应,只是扮演的角色加速腐蚀反应。然而,当氯⁻浓度达到一定水平,加速效果不再明显。(3)图11显示了SCC敏感性指数(我_{鳞状细胞癌})的316 l不锈钢在不同的温度下计算根据方程(2)。以下的结论可以从图中获得11:当Cl⁻浓度增加,从60000年到20000 mg / L、316 L不锈钢拉伸的应力腐蚀敏感性标本增加某种程度上,当Cl⁻浓度很低,我_{鳞状细胞癌}增长趋势更为明显。当Cl⁻浓度大于80000 mg / L、316 L不锈钢表现出一定程度的实验条件下氯鳞状细胞癌。

4所示。结论

(1)slow-strain-rate拉伸试验结果表明,当公司的分压₂0和0.3 MPa之间;增加公司的影响₂内容氯316 l不锈钢SCC敏感性并不明显。(2)在25 - 85°C的范围,随着温度的升高,316 l不锈钢的氯SCC敏感性增加我_{鳞状细胞癌}很明显的变化。(3)当Cl⁻浓度增加,从60000年到20000 mg / L, 316 L不锈钢拉伸的氯SCC敏感性标本在某种程度上也会增加,但当Cl⁻浓度大于1,00000 mg / L我_{鳞状细胞癌}显著值不再变化。(4)的程度这三个因素对实验结果的影响如下:温度> Cl⁻>有限公司₂。在这个实验中,当有限公司₂分压为0.1 MPa,温度为65°C,和Cl⁻浓度是1,20000 mg / L,我_{鳞状细胞癌}316 l拉伸样品最多26.8%。

数据可用性

支持本文所使用的数据包括在手稿中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认这项工作的赞助由四川天然气东部天然气有限公司有限公司

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