海洋服役环境对X80钢腐蚀电化学及阴极保护下氢脆行为的影响
管线一直被作为石油天然气能源的主要输送手段，管线钢的腐蚀是其服役失效的重要原因，很多学者已对管线外多种土壤环境下的腐蚀行为进行了系统研究。但随着陆地资源的消耗，油气资源开发逐渐开始转向海洋，管线外环境发生改变。海洋环境复杂多变，海底管线失效大多是由外腐蚀引起，其检修困难且费用昂贵。因此，针对海底管线外海洋服役环境的腐蚀机理及影响因素研究是管线在海洋工程中安全服役的基础，势在必行。 本论文针对海洋环境的主要变化特征，即温度、溶氧量环境因素和静、动力载荷作用变化，研究了海洋环境和力学因素对X80管线钢在pH=7.7±0.2，3.5wt.％NaCl模拟海水溶液中的腐蚀电化学行为和阴极保护下氢脆的影响，探讨各海洋环境因素的影响规律及作用机理，为X80管线钢在海洋工程中的应用及防护措施制定提供基础数据和理论指导。主要结果及研究进展如下:(1)在3.5wt.％NaCl溶液中，探明了温度、溶氧量、预应变稳态环境变化因素对X80钢在模拟海水溶液中的腐蚀电化学行为的影响规律及机理。温度升高，局部阳极反应速率增大，但局部阴极反应速率几乎不变，温度对腐蚀的促进作用是通过加速阳极溶解来实现。阴极过程与溶解氧浓度息息相关，获得溶解氧影响腐蚀Evans图，随溶解氧浓度的下降，腐蚀速率显著降低，控制步骤也由传质过程控制的吸氧反应转变为活化控制的析氢反应，阴极反应的溶解氧浓度转变点为0.5mg·L-1。预应变对X80钢腐蚀行为的影响相对较小，阳极溶解形成的γ-FeOOH腐蚀产物对后续腐蚀起阻碍作用，表现为腐蚀速率随着预应力的增大呈下降趋势。 (2)在3.5wt.％NaCl溶液中，海洋服役环境中的溶解氧能够改变阴极保护下X80钢的氢脆敏感性变化规律。有氧环境下，开路(OCP)下的X80钢具有一定的应力腐蚀敏感性，随阴极保护电位负移，应力腐蚀敏感性先减小后增大，当保护电位负移达到析氢电位，氢致塑性损失作用增大，在-1200mV下表现出明显的氢脆敏感性;无氧环境下，随阴极保护电位负移，氢致塑性损失作用增大，出现氢脆的临界阴极保护电位升高，在-1100mV下即表现出氢脆敏感性。阴极电位改变了基体次表面氢浓度，表观氢浓度capp与材料的氢脆敏感性呈正相关线性关系。 (3)探明了在3.5wt.％NaCl溶液中，循环应力对X80钢基体/溶液界面机械-电化学效应的影响规律，并提出了循环应力下腐蚀演变过程的物理模型。循环应力的施加不改变X80钢在3.5wt.％NaCl溶液中的腐蚀电化学机理。腐蚀初期1h，循环应力下的腐蚀速率促进因子(CRPF)为正值，表明循环应力对腐蚀过程有促进作用，且随应力比R的减小促进作用增大，CRPF与应力比R之间满足关系式CRPF=3.084×10-4×(1-R);隧加载频率f增大腐蚀促进作用增大，当f＞1.0Hz时，反应速率受传质过程的控制，循环应力对腐蚀的促进作用趋于稳定。腐蚀10h后，腐蚀加速作用使表面形成了更加均匀致密的腐蚀产物膜，其阻碍作用导致CRPF逆转，循环应力下的腐蚀速率较小，且随应力比R减小，腐蚀产物膜阻碍作用越明显;不同加载频率f下的腐蚀阻碍影响较小。另外，发现循环应力的施加会促进点蚀萌生。 (4)设计可与疲劳试验机联用的电化学氢渗透装置，并用此装置研究了恒应力、应力比R和加载频率f对阴极保护下X80钢氢渗透过程的影响。研究表明，应力载荷的作用可以改变氢的渗入和氢的扩散过程。恒应力下，氢渗入阻碍因子HPRF(absorb)及氢扩散阻碍因子HPRF(diffuse)均为负值，外加拉应力不仅促进了氢原子渗入材料次表面，同时促进了氢在试样中的扩散速率，氢渗透过程得到加速，且随拉应力的增大促进作用增大。低应力比R下的HPRF(absorb)为正值，循环应力抑制了氢的渗入，在高应力比R下为负值，循环应力促进氢的渗入。HPRF（diffuse）为负值且随应力比R的增大而增大，应力比R越大，促进氢的扩散作用越小。存在一个临界频率ft，当加载频率f＜ft时，随加载频率f的增大，HPRF(absorb)增大，HPRF(diffuse)减小;当加载频率f＞ft时，HPRF(absorb)值急剧减小为负值，氢渗入过程加剧，HPRF(diffuse)值急剧增大为正值，阻碍了氢的扩散，更多的氢原子被困在X80钢基体中。在最大应力值σmax=200MPa及应力比R=0.4不变下，临界频率ft=1.0Hz。
高强度管线钢;腐蚀现象;电化学行为;阴极保护;氢脆行为;海洋服役环境
武汉科技大学
博士
材料科学与工程
黄峰
2020
中文
TG172.5
2021-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）