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X70钢在模拟深海环境中腐蚀及应力腐蚀行为研究

随着深海资源的开发,管线钢被广泛用于深海环境中石油、天然

气的传输。管线钢服役时,点蚀及应力腐蚀是其失效的主要原因。深

海环境中静水压力的存在是区别于浅海的主要因素。静水压力如何影

响管线钢点蚀萌生和扩展、如何影响应力腐蚀(SCC)开裂,目前还缺乏

系统的研究。基于此,本文系统地研究了静水压力对管线钢点蚀及应

力腐蚀行为的影响,为管线钢在深海环境中的服役提供参考和理论支

持。首先,通过自主设计的带有加载装置的高压釜系统,研究了静水压

力对X70钢在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀行为、腐蚀动力学规律、

以及点蚀萌生和扩展的影响;其次,由于点蚀发生时溶液会发生局部

酸化,本文研究了溶液pH值降低为3时X70钢的应力腐蚀开裂行为;

此外,本文详细表征了X70钢中的夹杂物类型,并对夹杂物诱发点蚀

萌生的机制进行了讨论。主要研究结果如下:(1)恒载荷实验结果表明,

在常压下(即0.1MPa),X70钢在中性3.5%NaCl溶液中(pH=7),发生恒

载荷延迟开裂的门槛应力为0.89σb,说明X70钢在常压下发生应力

腐蚀开裂的敏感性不大。但是,当静水压力分别增加到5MPa和10MPa

时,X70钢在3.5%NaCl溶液中发生应力腐蚀延迟开裂的归一化门槛应

力分别为下降到0.78σb和0.68σb,表明静水压力增加促进了

X70钢的应力腐蚀;当溶液pH=3时,在上述三种静水压力条件下,X70

钢发生应力腐蚀开裂的归一化门槛应力均低于溶液pH=7时的门槛值,

分别为0.83σb,0.68σb和0.53σb,表明溶液酸化进一步促进了

X70钢的应力腐蚀开裂;一方面,当试样在中性溶液中长时间浸泡后,

三种静水压力条件下材料中的氢含量分别为0.1、0.17和0.23ppm,

表明静水压力促进了氢的进入。另一方面,腐蚀过程中的试样表面的

微观组织观察表明,腐蚀速率和点蚀扩展均随静水压力的增加而增加,

即静水压力促进了X70钢的阳极溶解。两方面的结果表明,模拟深海

环境下X70钢在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀由阳极溶解和氢致开裂

两种机制共同控制。(2)在腐蚀初期,静水压力促进了腐蚀过程中的电

化学反应,导致静水压力促进腐蚀的发生;在腐蚀稳定阶段,常压下的

腐蚀产物膜是完整的,而在10MPa下腐蚀产物膜有明显的微裂纹,这

些微裂纹会成为Cl-离子的快速输运通道,促进Cl-离子在腐蚀产物

膜中的传输和吸附,因而导致腐蚀速率升高。(3)电化学阻抗(EIS)和

累积概率分布分析表明,静水压力降低电荷转移电阻Rct,从而促进亚

稳态点蚀的长大,亚稳态点蚀的寿命,瞬态电流峰值和亚稳态点蚀半

径均随静水压力的增加而增加。这些结果表明静水压力促进了点蚀的

萌生和扩展。(4)微观组织观察显示,X70钢中存在三种典型的夹杂

物:A类夹杂物为复合型夹杂,一部分为富Al、Ca和O元素,另一部分

富Mn、Ca和S元素;B类夹杂为富(Al,Ca)0夹杂;C类夹杂为富

(Mn,Ca)S夹杂。SKPFM研究表明,X70钢中三种夹杂物的表面电势富

(Mn,Ca)S夹杂lt;金属基体lt;富(Al,Ca)O夹杂,由于A类夹杂物为

复合体,不同组成部分之间有电位差而组成电偶对,因而最容易发生

腐蚀。三种夹杂物在3.5%NaCl溶液中点蚀抗性顺序为:A类夹杂物

lt;C类夹杂物lt;B类夹杂物;具体说,富(Mn,Ca)S夹杂lt;金属基

体lt;富(Al,Ca)0夹杂。A,C类夹杂均可持续诱发亚稳态点蚀,为活

性夹杂;B类夹杂形成稳定的钝化膜不可持续诱发亚稳态点蚀,为非活

性夹杂;藉此建立了三种夹杂物诱发点蚀的机制。