论文部分内容阅读
二氧化碳腐蚀是石油化工行业中一种常见的腐蚀类型，CO2气体溶于水或原油后对输油管线或套管等设备造成了严重的腐蚀。Cr13不锈钢价格低廉、综合性能较好，是石油化工等工业中一种非常有潜力的耐蚀材料。Cr13钢存在高温时的均匀腐蚀、中温时的点蚀、低温时的硫化物应力开裂(SSC)等缺陷，在Cr13钢中添加适量的稀土元素可以进一步提高其耐CO2腐蚀性能。本文系统地研究了稀土Ce元素对Cr13钢耐CO2腐蚀性能的影响。考虑到CO2分子在Fe(100)面吸附方式的不同，建立了6种吸附模型，利用第一性原理计算了Ce元素掺杂后Cr13钢吸附能的变化，从微观上分析了Ce元素对Cr13钢耐CO2腐蚀性能的影响。采用等离子电弧炉炼制了不同Ce含量的Cr13钢，借助金相显微镜和扫描电镜对不同钢的金相组织进行了观察，分析了Ce元素对Cr13钢显微组织的影响。利用电化学工作站，在通入饱和CO2气体条件下，测定了不同Ce含量钢在3.5%NaCl溶液和聚区采出液中的电化学阻抗谱和动电位极化曲线，分析了Ce元素对Cr13钢耐CO2腐蚀性能的影响。吸附能计算结果表明，Cr13钢掺杂Ce元素后，吸附能增大，吸附结构的稳定性减小，耐CO2腐蚀性能增强。耐蚀性随着Ce元素含量的增加先是逐渐增大，当Ce元素含量为0.1%(wt%)时，吸附结构的吸附能最大、稳定性最小，耐蚀性最强。再增加Ce含量，耐蚀性下降。金相显微镜及扫描电镜观察结果表明，添加适量的Ce元素可以改善Cr13钢的显微组织。随着Ce元素的增加，基体组织铁素体晶粒尺寸减小、大小均一、分布均匀，混晶现象消失；碳化物尺寸减小、数量减少，偏聚现象消失。当Ce元素含量为0.1%(wt%)时显微组织最佳。继续增加Ce元素含量铁素体和碳化物尺寸增大、分布不均，开始出现混晶、偏聚现象。电化学研究表明，添加适量的Ce元素，可显著提高Cr13钢耐CO2腐蚀性能。Ce元素含量为0.1%(wt%)时，Cr13钢的致钝电位较低、击穿电位较高、钝化区间最宽，耐CO2腐蚀性能最佳。当Ce元素的含量继续增大时，钝化区间变窄，耐蚀性降低。同一Cr13钢在采出液中的耐CO2腐蚀性较3.5%NaCl溶液强。