海洋工程用E690高强钢薄液环境应力腐蚀行为及机理

来源 :北京科技大学 | 被引量 : 16次 | 上传用户:fang19902009
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对海洋资源的开发利用离不开高强钢的发展及应用,随着对海洋资源,尤其是南海等高温、高湿及高盐雾的严酷环境海域开发的不断深入,海洋工程用高强钢需求量不断增大,强度要求不断升高,其应力腐蚀(SCC)问题及风险逐渐增加,制约了海洋工程的发展。但目前对海洋环境尤其是海洋薄液环境下高强钢的SCC行为研究较少,缺少深入的薄液环境下SCC敏感性和机理研究,对不同环境因素与scc敏感性的关系认识也不充分。通过建立严酷海洋干湿交替环境下电化学及SCC的室内模拟研究方法,对模拟海洋干湿交替环境中高强钢的电化学腐蚀行为及scc关键影响因素、行为及机理进行研究。结果表明:模拟海洋干湿交替环境中,随实验周期延长,E690钢阴极电流密度逐渐增加,阳极电流密度逐渐减小,耐腐蚀性能先减小后略有增大。pH值增大及干湿交替频率的升高,有利于腐蚀产物的富集和致密化,导致锈层下均匀腐蚀减弱,局部阳极溶解作用加强,SCC敏感性升高;Cl-浓度增大,SCC敏感性先增加,后减少,再增加,NaCl浓度为3.5%时SCC敏感性相对最高。E690高强钢SCC机理为阳极溶解和氢脆的混合控制机制,裂纹扩展模式为典型的穿晶扩展。对E690高强钢在模拟海洋全浸和薄液环境中的电化学和SCC机理的对比研究表明:薄液环境中E690钢会发生明显的SCC,薄液环境SCC敏感性高于海水环境的本质原因为,薄液环境更有利于氧的扩散传质、促进了局部氧的去极化过程和腐蚀产物层的致密化,该过程与Cl-在腐蚀产物内层的富集过程存在协同作用,加之应力集中作用,促进了锈层下的局部阳极溶解和点蚀底部及裂纹尖端的析氢作用,促进了SCC萌生和扩展。建立了模拟薄液环境中力学-电化学交互作用的原位测量装置,对模拟海洋薄液环境下O2、环境充氢对E690钢SCC行为的影响规律及作用机制进行分析。结果表明:O2的扩散传质对海洋薄液环境下的SCC起到关键作用,O2浓度升高,E690钢的阳极和阴极电流密度逐渐升高,耐腐蚀性能逐渐降低;SCC敏感性先增大,后减小。导致模拟薄液环境中E690钢SCC敏感性增大的临界氧浓度值为21%,当低于临界值时,氧浓度升高,氧扩散速度加快,促进阴极和阳极反应过程,加速了局部阳极溶解,当高于临界值时,裂纹被腐蚀消耗,同时氧还原降低了氢的析出,减小了氢的破坏作用。随预充氢电流密度升高,E690钢的阳极和阴极电流密度逐渐升高,耐腐蚀性能逐渐降低;氢加速了E690钢的阳极溶解作用,并与阳极溶解协同作用促进了E690钢SCC。随预充氢电流密度的增加,E690钢的SCC机理由以阳极溶解为主的混合机制向以氢脆为主的机制转变。结合有限元分析方法,通过不同应变量下模拟海洋薄液环境中的电化学及SCC试验,研究了应变对模拟海洋薄液环境中E690钢电化学和SCC行为的影响,结果表明:应变量增大,E690钢阳极和阴极电流密度逐渐升高,耐腐蚀性能逐渐减小,塑性应变区此现象尤为明显。应变量增大促进了E690钢阳极溶解,提升了SCC敏感性。模拟海洋干湿交替及薄液环境下,E690钢腐蚀产物都以Fe304为主,伴有α-FeOOH、β-FeOOH, γ-FeOOH、γ-Fe2O3、α-Fe2O3等,试验周期延长,有FeOCl、Fe2(OH)2Cl生成。锈层的结构和种类,对SCC敏感性影响明显,Cr促进了锈层的致密化,降低了均匀腐蚀,C1-富集在腐蚀产物内层,促进了锈层下的局部腐蚀,有利于SCC发生和扩展。验证了模拟薄液环境中外加电位对抑制SCC的可能性,确定了模拟薄液环境中E690钢SCC敏感性减小的最佳外加电位为-850mV (vs Ag/AgCl)。OCP电位升高或降低均能增大SCC敏感性,OCP-850mV为阳极溶解和氢脆混合机制,低于-850mV为氢脆机制。牺牲阳极保护方法减缓了E690钢的腐蚀,降低了SCC敏感性。
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