循環(huán)氫壓機 42C rMo合金鋼活塞桿腐蝕失效剖析

梁成浩,隋永強,王樹森

(1.大連海事大學交通運輸裝備與海洋工程學院,遼寧大連 116026;2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所,山東青島 266101)

循環(huán)氫壓機 42C rMo合金鋼活塞桿腐蝕失效剖析

梁成浩1,隋永強2,王樹森1

(1.大連海事大學交通運輸裝備與海洋工程學院,遼寧大連 116026;2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所,山東青島 266101)

通過對石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機 42C rMo合金鋼活塞桿腐蝕產物進行物理測試,考察了腐蝕原因。結果表明,石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機活塞桿腐蝕的原因是氫氣介質沖擊腐蝕與硫化氫介質的腐蝕聯(lián)合作用所致。即活塞桿在氫氣介質中高速運轉時,由于旋轉力矩形態(tài)的不斷變化產生湍流作用,使鍍鉻層表面形成強烈的沖擊腐蝕,導致 Cr鍍層及 Cr的氧化層腐蝕剝落。42C rMo合金鋼活塞桿裸露處與 S2-反應生成 FeS,引起硫化氫腐蝕。活塞桿表面腐蝕產物主要由Fe-Cr相、FeCr2O4,Fe3O4的鐵、鉻氧化合物和 FeS的鐵的硫化物等組成。

42C rMo合金鋼活塞桿 硫化氫腐蝕 沖擊腐蝕 失效 剖析

某石化公司石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機42C rMo合金鋼活塞桿,運行一個月后出現(xiàn)嚴重腐蝕,活塞桿局部產生點蝕、腐蝕部位粗糙、凹凸不平和鍍鉻層剝離的現(xiàn)象,表面失去金屬光澤,影響了活塞桿的正常、安全運行。

對石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機 42C rMo合金鋼活塞桿的腐蝕失效進行剖析,旨在深入了解活塞桿的腐蝕原因,并為今后防腐蝕選材和檢修提供可靠依據(jù)。

1 腐蝕檢測分析

1.1 3號循環(huán)氫壓機活塞桿表面勘察

截取石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機 42C rMo合金鋼活塞桿的腐蝕形貌見圖 1。圖 1(a)為活塞桿腐蝕較輕部位,發(fā)現(xiàn)腐蝕部位呈灰褐色,失去金屬光澤,出現(xiàn)許多小蝕坑密集,腐蝕活塞桿表面鍍鉻層局部已剝離和脫落,銹層不均勻。然而,沒有腐蝕的活塞桿兩側仍保持鍍鉻層的金屬光澤,光亮、鍍層連續(xù)。圖 (b)為腐蝕嚴重部位,可看出表面全部腐蝕,呈黑褐色已失去金屬光澤,蝕坑較深且密布于表面,腐蝕產物連片;活塞桿表面鍍鉻層全部剝離、脫落,裸露了基體金屬,減薄腐蝕嚴重。圖 1中標出的 A,B和 C處為截取試樣,為物理檢測測試分析區(qū)域。其中 A處為截取基體部位,B處為腐蝕較輕部位,C處為腐蝕較重部位。

截取試樣A處基體鍍鉻層的光學顯微鏡照片見圖 2。觀察表明,鍍鉻層表面呈現(xiàn)金屬光澤、鍍層連續(xù)和結晶細膩,但局部鍍鉻層出現(xiàn)溝槽、臺階(圖 2a)。對 A處基體斷面測試的鍍鉻層厚度約為38μm(圖 2b)。

截取試樣 C處表面鍍鉻層腐蝕較重部位的光學顯微鏡照片見圖 3。由圖 3可知,腐蝕的鍍鉻層表面出現(xiàn)階梯狀的平臺且鍍層粗糙,導致裸露基體面積增大,銹蝕嚴重 (圖 3a)。減薄腐蝕部位鉻鍍層的厚度約為 8μm,鍍層減薄十分嚴重(圖3b)。

A,B和 C處截取試樣斷面鉻鍍層厚度減薄測試的結果見表 1。由表 1可知,基體部位 A處的鍍鉻層平均厚度為 34μm,而 B和 C處分別減少至26μm和 6μm。

表 1 斷面鉻鍍層厚度減薄測試結果Table 1 The test results of chromium plating thickness from the section μm

1.2 掃描電鏡觀察結果

活塞桿A處和 C處表面的掃描電鏡照片見圖4。由圖 4a清晰可見,A處基體表面鍍鉻層致密,但局部出現(xiàn)絮狀花紋,鍍層發(fā)生剝離。活塞桿表面沿液體流動方向呈現(xiàn)方向性的輝紋線,且沿線出現(xiàn)沖擊溝槽磨痕,鍍鉻層表面有明顯的流體沖刷的痕跡。活塞桿 C處表面觀察發(fā)現(xiàn) (圖 4b),表面磨痕與流體流動方向一致,磨痕處沒有腐蝕產物覆著痕跡,顯示出沖擊、磨損腐蝕的典型特征[1]。腐蝕鍍鉻層表面呈現(xiàn)沖擊臺階和磨痕粗大現(xiàn)象,說明該處沖擊、磨損腐蝕加劇及腐蝕鍍鉻層沿著溝槽溶解,剝離嚴重。

1.3 電子能譜與 X射線衍射分析結果

腐蝕活塞桿 C處表面的電子能譜分析 (EDX)結果見圖 5。腐蝕部位鉻鍍層表面主要由 Fe,O,少量 Cr,Si,S和Mn等元素組成。表面成分 O,Fe,Cr,Si,Mn和 S的質量分數(shù)分別為 21.05%,74.45%,1.58%,2.77%,1.07%和 2.08%。值得注意的是活塞桿鉻鍍層表面發(fā)現(xiàn) S元素的存在。這說明 S元素參與了活塞桿鍍鉻層表面的腐蝕歷程。

活塞桿 A,B和 C處的電子能譜分析結果見表2。結果表明,活塞桿 A處基體表面 Cr的質量分數(shù)較高,約為 8.06%,而腐蝕嚴重部位的 C處表面 Cr的質量分數(shù)降至 1.58%;O的質量分數(shù) A處約為31.53%,而 C處表面降為 21.05%;Fe的質量分數(shù)A處約為 58.54%,而 C處表面增至 74.45%;S的質量分數(shù)則從 0.77%增至 2.08%。

表 2 A,B和 C處鉻鍍層電子能譜分析結果Table 2 A,B and C place chromium plating electronic energy spectrum analysis results w,%

腐蝕活塞桿 C處表面的 X-射線衍射分析結果見圖 6。經分析,活塞桿腐蝕嚴重部位表面主要由 Fe,Cr單質、Fe-Cr相、FeCr2O4,Fe3O4的鐵、鉻氧化合物和FeS的鐵的硫化物等組成。由活塞桿 A,B和 C處的X-射線衍射分析結果可知,活塞桿表面的腐蝕產物主要由鐵的硫化物和鐵的氧化物所構成。

2 腐蝕分析

通過對石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機 42C rMo合金鋼活塞桿腐蝕產物的觀察和現(xiàn)代物理技術檢測,認為活塞桿腐蝕的主要原因是氫氣介質沖擊腐蝕與硫化氫介質的腐蝕聯(lián)合作用所致。石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機 42C rMo合金鋼活塞桿長期處在氫氣介質中運轉狀態(tài),轉速約為 490 r/min,同時活塞桿一些部位與聚四氟橡膠墊圈相摩擦,據(jù)廠方介紹屬無油潤滑,而摩擦次數(shù)為 340次 /min。

活塞桿 A處表面的掃描電鏡觀察表明 (圖 4a),鍍鉻層基體表面呈現(xiàn)沿液體流動方向出現(xiàn)方向性的輝紋線,且沿線出現(xiàn)沖擊溝槽磨痕,鉻鍍層表面有明顯的流體沖刷的痕跡。從圖 4b的活塞桿腐蝕嚴重部位表面的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),磨痕與流體流動方向一致,磨痕處沒有腐蝕產物覆著痕跡,顯示出沖擊、磨損腐蝕的典型特征。同時觀察到,腐蝕鍍鉻層表面呈現(xiàn)沖擊臺階、磨痕粗大,沿著溝槽溶解加劇,說明該處沖擊、磨損腐蝕加劇、剝離嚴重。由上述特征可認為,活塞桿表面鍍鉻層由于受到流體沖擊導致鍍鉻層剝離、局部脫落、減薄,產生蝕坑。

沖擊腐蝕是由高速流體或含顆粒、氣泡的高速流體直接不斷沖擊金屬表面所造成的磨損。沖擊腐蝕屬于湍流腐蝕的范疇,亦是高速流體的機械力破壞與電化學腐蝕這兩種作用對金屬共同作用的結果[2]。石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機活塞桿處在高速轉動中,由于旋轉時力矩形態(tài)的不斷變化產生湍流作用。湍流使鍍鉻層與氫氣等介質的接觸更為頻繁,從而湍流對鍍鉻層表面形成強烈的沖擊腐蝕,結果使 Cr鍍層及 Cr的氧化物膜層快速腐蝕剝落。遭受沖擊、剝離而裸露的新鮮金屬表面再次受到沖擊作用,這樣在沖擊腐蝕與硫化氫腐蝕的聯(lián)合作用下,以 FeCr2O4,Fe3O4的鐵、鉻氧化合物形式溶解 (表 3的 X射線衍射分析中得到證實)進入溶液、剝落,以此往復活塞桿鉻鍍層迅速減薄,而導致鍍層損壞、42C rMo合金鋼基體裸露而腐蝕。從鍍鉻層腐蝕減薄測試結果可知,基體部位A處的鍍鉻層厚度約為34μm,而腐蝕磨損的 B和 C處分別減薄至 26μm和 6μm,這進一步證實了上述觀點。

石蠟加氫裝置氫氣壓縮機活塞桿是在氫氣環(huán)境中運行,流量高達 8000 Nm3/h,同時氫氣中含有其它一些氣體。廠方提供的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)結果見表 3。結果表明,石蠟加氫裝置中氫氣約占 90%左右,另外硫化氫質量濃度為 1 569～2 439 mg/m3。

表 3 石蠟加氫裝置氣體成分Table 3 Paraffin wax hydrogenation gas component content w,%

活塞桿殼程工作溫度為 107～60℃,所以石蠟加氫裝置氫氣壓縮機環(huán)境中含有少量水分或潮濕氣氛。因此,H2S在水中或在潮濕氣氛中發(fā)生離解[3～5]:

硫化氫水溶液對金屬的腐蝕是一種電化學反應過程:

由上式可知,鍍鉻層由于遭受沖擊腐蝕導致Cr鍍層破壞、剝落,使 42C rMo合金鋼基體裸露。進而基體 Fe與 S2-反應,生成 FeS的腐蝕產物。通常硫化氫引起全面腐蝕可使整個金屬表面均勻地減小厚度,或使金屬表面出現(xiàn)局部腐蝕,生成蝕坑。當 42C rMo合金鋼遭受到硫化氫腐蝕時,呈現(xiàn)黑褐色硫化鐵腐蝕產物。這就是在圖 1的 a和 b照片中觀察到的褐色的硫化鐵腐蝕產物。

3 結 論

通過對石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機 42C rMo合金鋼活塞桿腐蝕產物進行物理測試,剖析腐蝕原因,得出如下的結論。

(1)石蠟加氫裝置 3號循環(huán)氫壓機活塞桿腐蝕的原因是氫氣介質沖擊腐蝕與硫化氫介質的腐蝕聯(lián)合作用所致。即活塞桿在氫氣介質中高速運轉時,由于旋轉力矩形態(tài)的不斷變化產生湍流作用,使鍍鉻層表面形成強烈的沖擊腐蝕,結果使 Cr鍍層及 Cr的氧化膜層腐蝕剝落。基體 42C rMo合金鋼裸露處與 S2-反應,生成 FeS,引起硫化氫腐蝕。

(2)活塞桿表面的掃描電鏡觀察表明,磨痕與流體流動方向一致,磨痕處沒有腐蝕產物覆著痕跡,顯示出沖擊、磨損腐蝕的典型特征。腐蝕鍍鉻層表面呈現(xiàn)沖擊臺階、磨痕粗大,沿著溝槽溶解加劇,說明該處沖擊、磨損腐蝕加劇、剝離嚴重。

(3)活塞桿的電子能譜分析結果,基體表面 Cr的質量分數(shù)較高,約為 8.06%,而腐蝕嚴重部位則降至 1.58%;S則從 0.77%,增至 2.08%,鍍鉻表面腐蝕愈嚴重,S含量愈多。這說明 S元素參與了活塞桿鍍鉻表面的腐蝕歷程。活塞桿表面腐蝕產物主要由 Fe-Cr相、FeCr2O4,Fe3O4的鐵、鉻氧化合物和 FeS的鐵的硫化物等組成。

[1] 梁成浩主編.現(xiàn)代腐蝕科學與防護技術[M].上海:華東理工大學出版社,2007:172.

[2] 付玉華,周漢平,周吐清,等.石油化工設備腐蝕與防治 [M].北京:機械工業(yè)出版社,1997:191.

[3] 化學工業(yè)部化工機械研究院主編.化工生產裝置的腐蝕與防護[M].北京:化學工業(yè)出版社,1993:453.

[4] 姚艾.石油化工設備在濕硫化氫環(huán)境中的腐蝕與防護[J].石油化工設備,2008,37(5):96-97.

[5] 陳宏剛.加氫精制裝置濕硫化氫腐蝕與防護[J].石油化工腐蝕與防護,2009,26(4):19-21.

Analysis of Corrosion Fa ilure of 42CrM o Alloy Steel Piston Rod in Recycle Hydrogen Compressor

L iang Chenghao1,Sui Yongqiang2,W ang Shusen1
(1.Comm unication Equipm ent&M arine Engineering College of Dalian M aritim e University Dalian,L iaoning 116026;2.725th Research Institute of China Shipbuidling Industry Corporation,Q ingdao,Shandong266101)

The causes of corrosion were investigated by physical tests on corrosion products of 42C rMo alloy steel piston rod in the 3#recycle hydrogen compressorof paraffin hydrogenation unit.The results showed that the corrosionwas caused by combination effect of hydrogen medium impingement corrosion and hydrogen sulfide corrosion.When the piston rod rotated at a high speed in hydrogen medium,the form of rotating torque changed uninterruptedly to make turbulence influences,which produced a strong impingement attack on plating chromic surface,resulting in corrosion spalling between Cr plating surface and Cr oxidation layer.Exposed surface of 42C rMo alloy steel piston rod reacted with S2-,forming FeS,which caused hydrogen sulfide corrosion.Corrosion products in piston rod surface were mainlymade by Fe-Cr phase,iron and chromium oxygen compounds,Iron sulfides etc.

42C rMo alloy steel piston rod,hydrogen sulfide corrosion,impingement corrosion,failure,analysis

TG174.4

A

1007-015X(2011)06-0050-04

2011-06- 17;修改稿收到日期:2011-09-25。

梁成浩 (1951-),1991年博士畢業(yè)于東京大學工學部金屬材料學專業(yè),教授,博士生導師,現(xiàn)主要從事于腐蝕科學與防護技術研究。E-mail:lchenghao@126.com

(編輯 寇岱清 )