滲鋁鋼抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂及抗氫脆性能研究

吳　昊，李華飛

(1.中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢　430223；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢　430073)

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滲鋁鋼抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂及抗氫脆性能研究

吳昊1，李華飛2

(1.中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢430073)

摘要：以30CrMo鋼為母體，對(duì)30CrMo鋼及其滲鋁鋼分別進(jìn)行抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)、抗氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)，采用Devanathan雙電池技術(shù)測(cè)量氫的擴(kuò)散系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：30CrMo鋼滲鋁后比滲鋁前具有更好的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、抗氫脆性能；單一氯離子對(duì)30CrMo鋼及其滲鋁鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能影響較小。

關(guān)鍵詞：30CrMo；滲鋁鋼；硫化氫；氯離子；應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；氫擴(kuò)散

在石油化工等領(lǐng)域中，含濕H2S、Cl-或/和H2等元素的酸性介質(zhì)具有很強(qiáng)的腐蝕性，其腐蝕機(jī)理比較復(fù)雜，對(duì)設(shè)備、管道的腐蝕破壞現(xiàn)象比較突出。即使是Cr-Mo合金鋼，在濕H2S、H2環(huán)境中也易引起氫脆、硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等現(xiàn)象。而金屬材料經(jīng)滲鋁后形成鐵鋁合金層，可大大提高其在酸性環(huán)境中的耐均勻腐蝕性能，目前國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)的報(bào)道和研究。本文以30CrMo鋼為母體，研究30CrMo鋼及其滲鋁鋼在H2S、Cl-介質(zhì)中的腐蝕規(guī)律、抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、抗氫脆等特性。

1應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

1.1實(shí)驗(yàn)

抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照GB4157—2006《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》的要求進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)用腐蝕介質(zhì)為5%NaCl+ 0.5%CH3COOH+飽和H2S水溶液，溶液初始酸度為pH3.3，溶液使用前用氮?dú)饨?jīng)48 h除氧氣處理，實(shí)驗(yàn)溫度為24±3 ℃。

實(shí)驗(yàn)材料為30CrMo鋼及其滲鋁鋼。30CrMo鋼在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理(處理工藝規(guī)范參照GB3077—1999)。滲鋁鋼也要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，將調(diào)質(zhì)處理和滲鋁(或擴(kuò)散增厚增韌處理)工藝結(jié)合在一起進(jìn)行，即滲鋁(或擴(kuò)散增厚增韌處理)后，工件不出爐，直接隨爐降溫至淬火溫度范圍保溫一段時(shí)間后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)。

抗氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)參照GB4157—2006相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用5% NaCl+0.5% CH3COOH水溶液。

1.2抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性1.2.130CrMo鋼抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所加應(yīng)力及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，在本測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件下，隨著所加載荷(應(yīng)力)的增加，30CrMo鋼試樣發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時(shí)間縮短，當(dāng)所加應(yīng)力超過(guò)408.5 MPa(g)(即45.2%的屈服強(qiáng)度)后，應(yīng)力腐蝕斷裂的時(shí)間<720 h，所加應(yīng)力≤365.6 MPa(g)(即40.4%的屈服強(qiáng)度)時(shí)，在720 h內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。因此30CrMo鋼在5%NaCl+0.5%CH3COOH+飽和H2S水溶液中使用時(shí)不發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的最大許用應(yīng)力在365 MPa(g)左右(即40%的屈服強(qiáng)度附近)。

表1　30CrMo鋼抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：σs=904 MPa(g)。

1.2.230CrMo滲鋁鋼抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所加應(yīng)力及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著所加載荷(應(yīng)力)的增加，滲鋁鋼試樣發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時(shí)間縮短，當(dāng)所加應(yīng)力超過(guò)687.6 MPa(g)(即85.3%的屈服強(qiáng)度)后，應(yīng)力腐蝕斷裂的時(shí)間<720 h，所加應(yīng)力≤638.2 MPa(g)(即79.2%的屈服強(qiáng)度)時(shí)，在720 h內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。因此滲鋁鋼在5% NaCl+0.5% CH3COOH+H2S飽和水溶液中使用時(shí)不發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的最大許用應(yīng)力在640MPa(g)附近(即80%的屈服強(qiáng)度附近)。

表2　30CrMo滲鋁鋼抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：σs=806 MPa(g)。

1.2.3對(duì)比分析

30CrMo鋼抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的最大許用應(yīng)力約為365 MPa(g)，只有40%的屈服強(qiáng)度；30CrMo鋼滲鋁后，最大許用應(yīng)力達(dá)到640 MPa(g)，接近80%的屈服強(qiáng)度；30CrMo鋼滲鋁后其最大許用應(yīng)力提高了275 MPa(g)，抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能提高了75%。

1.3抗氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性

抗氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性實(shí)驗(yàn)所加應(yīng)力及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　30CrMo鋼及其滲鋁鋼抗氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間超過(guò)720 h后，即使應(yīng)力達(dá)到或接近試樣的抗拉強(qiáng)度，30CrMo鋼及其滲鋁鋼都沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂?？梢哉J(rèn)為，只含氯離子的弱酸性腐蝕性介質(zhì)對(duì)30CrMo鋼及其滲鋁鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的可能性很小。

2氫擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

氫在鋼中擴(kuò)散對(duì)氫脆斷裂、氫鼓泡、氫致應(yīng)力腐蝕斷裂等氫損傷起著重要作用，尤其是氫裂紋擴(kuò)展速度取決于氫擴(kuò)散速度，而氫的擴(kuò)散速度與環(huán)境溫度及其介質(zhì)等有關(guān)，因此，需研究氫在30CrMo鋼及其滲鋁鋼滲鋁層中的擴(kuò)散行為。

2.1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法采用Devanathan雙電池技術(shù)測(cè)量氫的擴(kuò)散系數(shù)。電解池用玻璃制成，被研究的試片置于兩個(gè)電解池之間，在電解池Ⅰ一邊的界面為“極化面”，在電解池Ⅱ一邊的界面為“擴(kuò)散面”，見(jiàn)圖1。極化面產(chǎn)生氫原子，在擴(kuò)散面用恒電位儀保持一定的電位，在此電位下，僅能使氫原子完全電離(H→H++e)而不發(fā)生其他的電化學(xué)反應(yīng)。析氫過(guò)電位較低的金屬(如Ni、W、Pd、Pt等)對(duì)氫原子反應(yīng)有較好的催化活性。滲氫測(cè)量電解池由輔助電極(鉑電極)、參比電極(自制氧化汞電極)和工作電極(鍍鎳面)組成。

圖1　雙電池裝置示意

實(shí)驗(yàn)時(shí)，電解池Ⅰ為充氫電解池，內(nèi)充飽和H2S水溶液腐蝕性介質(zhì)，電解池Ⅱ?yàn)闈B氫測(cè)量電解池，內(nèi)充0.2mol/L NaOH溶液，其作用是向試片施加一定的氧化電位，使?jié)B透過(guò)來(lái)的原子氫完全被氧化，產(chǎn)生陽(yáng)極電流，而這個(gè)陽(yáng)極電流的大小正好與氫滲透速度成正比。

在正式測(cè)擴(kuò)散電流前，試片必需按以下順序進(jìn)行前期處理：

2.230CrMo鋼的氫擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果

30CrMo鋼在飽和硫化氫鹽水中，隨溫度的升高，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)最大氫滲透電流(Imax)增加，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4　在飽和硫化氫鹽水中氫在30CrMo鋼內(nèi)的最大滲透電流

利用穿透時(shí)間法得到不同溫度下氫穿透試樣所需的時(shí)間tb(見(jiàn)表5)，可見(jiàn)隨著溫度增加，tb明顯減小。根據(jù)tb與溫度的關(guān)系，計(jì)算得到不同溫度下的氫擴(kuò)散系數(shù)列于表5。

表5　氫在30CrMo鋼中不同溫度下的的氫擴(kuò)散系數(shù)

由直線的斜率得到30CrMo鋼氫擴(kuò)散激活能Q值為12.317 kJ·mol-1，D0為5.935×10-5cm2·s-1，由此可把氫在30CrMo鋼中的擴(kuò)散系數(shù)表示為：

2.330CrMo滲鋁鋼的氫擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果

30CrMo滲鋁鋼在飽和硫化氫鹽水中，隨溫度的升高，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)最大氫滲透電流(Imax)增加，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表6(表中同時(shí)列出30CrMo鋼的Imax)。30CrMo鋼經(jīng)滲鋁后，其穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)最大氫滲透電流(Imax)比30CrMo鋼的小很多，只有30CrMo鋼的1/40～1/30。

表6　在飽和硫化氫鹽水中氫在滲鋁鋼中的最大滲透電流

根據(jù)不同溫度下獲得的滲氫曲線，利用穿透時(shí)間法得到不同溫度下氫穿透試樣所需的時(shí)間tb(見(jiàn)表7)，可見(jiàn)隨著溫度增加，tb明顯減小。根據(jù)tb與溫度的關(guān)系，計(jì)算得到不同溫度下滲鋁鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)見(jiàn)表7。用處理30CrMo鋼的數(shù)據(jù)的相同方法，利用上表數(shù)據(jù)得到滲鋁鋼擴(kuò)散系數(shù)的對(duì)數(shù)與溫度倒數(shù)的關(guān)系?？梢?jiàn)lnD與T呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，即：Y=-7.017 36-3.866 16X。

表7　氫在滲鋁鋼中不同溫度下的的氫擴(kuò)散系數(shù)

由直線的斜率得到滲鋁鋼氫擴(kuò)散激活能Q值為32.143 kJ·mol-1，D0為8.962×10-4cm2·s-1，由此可把氫在滲鋁鋼中的擴(kuò)散系數(shù)表示為：

2.4對(duì)比分析

比較氫在滲鋁鋼中的擴(kuò)散系數(shù)公式和氫在30CrMo鋼中的擴(kuò)散系數(shù)公式及相關(guān)數(shù)據(jù)，30CrMo鋼的最大氫滲透電流Imax比滲鋁鋼的Imax要大30～40倍，30CrMo鋼的氫擴(kuò)散系數(shù)D比滲鋁鋼中的D要大61～342倍。滲鋁鋼的氫擴(kuò)散激活能Q比30CrMo鋼的氫擴(kuò)散激活能Q大1.6倍，即氫在滲鋁層中的擴(kuò)散需要的推動(dòng)力(即需要的能量)比30CrMo鋼大1.6倍。滲鋁鋼對(duì)氫擴(kuò)散的阻滯作用比較明顯，因此，滲鋁鋼比非滲鋁鋼具有更好的抗氫損傷性能。

3結(jié)語(yǔ)

(1)在實(shí)驗(yàn)條件下，30CrMo鋼和30CrMo滲鋁鋼抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的最大許用應(yīng)力分別約為365 MPa(g)和640 MPa(g)，30CrMo滲鋁后，其抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能提高了75%。

(2)在實(shí)驗(yàn)條件下，只含氯離子的弱酸性腐蝕性介質(zhì)對(duì)30CrMo鋼及其滲鋁鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的可能性很小。

(3)在實(shí)驗(yàn)條件下，30CrMo滲鋁鋼比30CrMo鋼的氫擴(kuò)散激活能Q大1.6倍，即滲鋁鋼有更好的抗氫損傷性能。

參考文獻(xiàn)：

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Research on Aluminized Steel for Resisting Stress Corrosion Cracking and Hydrogen Embrittlement

WU Hao1, LI Hua-fei2

(1.WuhuanEngineeringCo.，Ltd.,WuhanHubei430223China; 2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,WuhanHubei430073China)

Abstract：Using 30CrMo steel as the matrix, resistance to hydrogen sulfide stress corrosion cracking test and resistance to chloride ion stress corrosion cracking test were carried out respectively for 30CrMo steel and its aluminized steel. Using Devanathan double cell technology, and we measured hydrogen diffusion coefficient. Experimental results show that, aluminized steel of 30CrMo has better resistance to hydrogen sulfide stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement, and single chloride ion has little influence on the stress corrosion cracking for 30CrMo steel and its aluminized steel.

Keywords：30CrMo; aluminized steel; hydrogen sulfide; chloride ion; stress corrosion cracking; hydrogen diffusion

收稿日期：2015-11-19

作者簡(jiǎn)介：吳昊(1983年-)，男，湖北武漢人，2008年畢業(yè)于華中科技大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事材料控制與應(yīng)力控制工作。

項(xiàng)目基金：國(guó)家自然科學(xué)基金(50842026)

中圖分類號(hào)：TG 174.445

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-8901(2016)01-0017-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.004 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.004