滲鋁鋼抗應力腐蝕開裂及抗氫脆性能研究

吳　昊，李華飛

(1.中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢　430223；2.華中科技大學，湖北 武漢　430073)

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滲鋁鋼抗應力腐蝕開裂及抗氫脆性能研究

吳昊1，李華飛2

(1.中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223；2.華中科技大學，湖北 武漢430073)

摘要：以30CrMo鋼為母體，對30CrMo鋼及其滲鋁鋼分別進行抗硫化氫應力腐蝕開裂實驗、抗氯離子應力腐蝕開裂實驗，采用Devanathan雙電池技術測量氫的擴散系數。實驗結果表明：30CrMo鋼滲鋁后比滲鋁前具有更好的抗硫化氫應力腐蝕開裂、抗氫脆性能；單一氯離子對30CrMo鋼及其滲鋁鋼應力腐蝕開裂性能影響較小。

關鍵詞：30CrMo；滲鋁鋼；硫化氫；氯離子；應力腐蝕開裂；氫擴散

在石油化工等領域中，含濕H2S、Cl-或/和H2等元素的酸性介質具有很強的腐蝕性，其腐蝕機理比較復雜，對設備、管道的腐蝕破壞現象比較突出。即使是Cr-Mo合金鋼，在濕H2S、H2環(huán)境中也易引起氫脆、硫化物應力腐蝕開裂等現象。而金屬材料經滲鋁后形成鐵鋁合金層，可大大提高其在酸性環(huán)境中的耐均勻腐蝕性能，目前國內外已有相關的報道和研究。本文以30CrMo鋼為母體，研究30CrMo鋼及其滲鋁鋼在H2S、Cl-介質中的腐蝕規(guī)律、抗硫化氫應力腐蝕開裂、抗氫脆等特性。

1應力腐蝕開裂實驗及其結果分析

1.1實驗

抗硫化氫應力腐蝕開裂實驗嚴格按照GB4157—2006《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開裂實驗室試驗》的要求進行。實驗用腐蝕介質為5%NaCl+ 0.5%CH3COOH+飽和H2S水溶液，溶液初始酸度為pH3.3，溶液使用前用氮氣經48 h除氧氣處理，實驗溫度為24±3 ℃。

實驗材料為30CrMo鋼及其滲鋁鋼。30CrMo鋼在實驗前進行調質處理(處理工藝規(guī)范參照GB3077—1999)。滲鋁鋼也要進行調質處理，將調質處理和滲鋁(或擴散增厚增韌處理)工藝結合在一起進行，即滲鋁(或擴散增厚增韌處理)后，工件不出爐，直接隨爐降溫至淬火溫度范圍保溫一段時間后再進行調質。

抗氯離子應力腐蝕開裂實驗參照GB4157—2006相關規(guī)定進行，實驗介質采用5% NaCl+0.5% CH3COOH水溶液。

1.2抗硫化氫應力腐蝕開裂性1.2.130CrMo鋼抗硫化氫應力腐蝕開裂實驗

實驗所加應力及其實驗結果見表1。從實驗結果可看出，在本測試實驗條件下，隨著所加載荷(應力)的增加，30CrMo鋼試樣發(fā)生應力腐蝕斷裂的時間縮短，當所加應力超過408.5 MPa(g)(即45.2%的屈服強度)后，應力腐蝕斷裂的時間<720 h，所加應力≤365.6 MPa(g)(即40.4%的屈服強度)時，在720 h內不會產生應力腐蝕斷裂。因此30CrMo鋼在5%NaCl+0.5%CH3COOH+飽和H2S水溶液中使用時不發(fā)生應力腐蝕開裂的最大許用應力在365 MPa(g)左右(即40%的屈服強度附近)。

表1　30CrMo鋼抗硫化氫應力腐蝕開裂實驗結果

注：σs=904 MPa(g)。

1.2.230CrMo滲鋁鋼抗硫化氫應力腐蝕開裂實驗

實驗所加應力及其實驗結果見表2。從實驗結果可看出，隨著所加載荷(應力)的增加，滲鋁鋼試樣發(fā)生應力腐蝕斷裂的時間縮短，當所加應力超過687.6 MPa(g)(即85.3%的屈服強度)后，應力腐蝕斷裂的時間<720 h，所加應力≤638.2 MPa(g)(即79.2%的屈服強度)時，在720 h內不會產生應力腐蝕斷裂。因此滲鋁鋼在5% NaCl+0.5% CH3COOH+H2S飽和水溶液中使用時不發(fā)生應力腐蝕開裂的最大許用應力在640MPa(g)附近(即80%的屈服強度附近)。

表2　30CrMo滲鋁鋼抗硫化氫應力腐蝕開裂實驗結果

注：σs=806 MPa(g)。

1.2.3對比分析

30CrMo鋼抗硫化氫應力腐蝕開裂的最大許用應力約為365 MPa(g)，只有40%的屈服強度；30CrMo鋼滲鋁后，最大許用應力達到640 MPa(g)，接近80%的屈服強度；30CrMo鋼滲鋁后其最大許用應力提高了275 MPa(g)，抗硫化氫應力腐蝕開裂性能提高了75%。

1.3抗氯離子應力腐蝕開裂性

抗氯離子應力腐蝕開裂性實驗所加應力及其實驗結果見表3。

表3　30CrMo鋼及其滲鋁鋼抗氯離子應力腐蝕開裂實驗結果

從實驗結果可看出，在本實驗條件下，當實驗時間超過720 h后，即使應力達到或接近試樣的抗拉強度，30CrMo鋼及其滲鋁鋼都沒有發(fā)生應力腐蝕斷裂。可以認為，只含氯離子的弱酸性腐蝕性介質對30CrMo鋼及其滲鋁鋼產生應力腐蝕斷裂的可能性很小。

2氫擴散實驗及其結果分析

氫在鋼中擴散對氫脆斷裂、氫鼓泡、氫致應力腐蝕斷裂等氫損傷起著重要作用，尤其是氫裂紋擴展速度取決于氫擴散速度，而氫的擴散速度與環(huán)境溫度及其介質等有關，因此，需研究氫在30CrMo鋼及其滲鋁鋼滲鋁層中的擴散行為。

2.1實驗

實驗方法采用Devanathan雙電池技術測量氫的擴散系數。電解池用玻璃制成，被研究的試片置于兩個電解池之間，在電解池Ⅰ一邊的界面為“極化面”，在電解池Ⅱ一邊的界面為“擴散面”，見圖1。極化面產生氫原子，在擴散面用恒電位儀保持一定的電位，在此電位下，僅能使氫原子完全電離(H→H++e)而不發(fā)生其他的電化學反應。析氫過電位較低的金屬(如Ni、W、Pd、Pt等)對氫原子反應有較好的催化活性。滲氫測量電解池由輔助電極(鉑電極)、參比電極(自制氧化汞電極)和工作電極(鍍鎳面)組成。

圖1　雙電池裝置示意

實驗時，電解池Ⅰ為充氫電解池，內充飽和H2S水溶液腐蝕性介質，電解池Ⅱ為滲氫測量電解池，內充0.2mol/L NaOH溶液，其作用是向試片施加一定的氧化電位，使?jié)B透過來的原子氫完全被氧化，產生陽極電流，而這個陽極電流的大小正好與氫滲透速度成正比。

在正式測擴散電流前，試片必需按以下順序進行前期處理：

2.230CrMo鋼的氫擴散實驗結果

30CrMo鋼在飽和硫化氫鹽水中，隨溫度的升高，穩(wěn)態(tài)擴散時最大氫滲透電流(Imax)增加，具體數據見表4。

表4　在飽和硫化氫鹽水中氫在30CrMo鋼內的最大滲透電流

利用穿透時間法得到不同溫度下氫穿透試樣所需的時間tb(見表5)，可見隨著溫度增加，tb明顯減小。根據tb與溫度的關系，計算得到不同溫度下的氫擴散系數列于表5。

表5　氫在30CrMo鋼中不同溫度下的的氫擴散系數

由直線的斜率得到30CrMo鋼氫擴散激活能Q值為12.317 kJ·mol-1，D0為5.935×10-5cm2·s-1，由此可把氫在30CrMo鋼中的擴散系數表示為：

2.330CrMo滲鋁鋼的氫擴散實驗結果

30CrMo滲鋁鋼在飽和硫化氫鹽水中，隨溫度的升高，穩(wěn)態(tài)擴散時最大氫滲透電流(Imax)增加，具體數據見表6(表中同時列出30CrMo鋼的Imax)。30CrMo鋼經滲鋁后，其穩(wěn)態(tài)擴散時最大氫滲透電流(Imax)比30CrMo鋼的小很多，只有30CrMo鋼的1/40～1/30。

表6　在飽和硫化氫鹽水中氫在滲鋁鋼中的最大滲透電流

根據不同溫度下獲得的滲氫曲線，利用穿透時間法得到不同溫度下氫穿透試樣所需的時間tb(見表7)，可見隨著溫度增加，tb明顯減小。根據tb與溫度的關系，計算得到不同溫度下滲鋁鋼的氫擴散系數見表7。用處理30CrMo鋼的數據的相同方法，利用上表數據得到滲鋁鋼擴散系數的對數與溫度倒數的關系。可見lnD與T呈現較好的線性關系，即：Y=-7.017 36-3.866 16X。

表7　氫在滲鋁鋼中不同溫度下的的氫擴散系數

由直線的斜率得到滲鋁鋼氫擴散激活能Q值為32.143 kJ·mol-1，D0為8.962×10-4cm2·s-1，由此可把氫在滲鋁鋼中的擴散系數表示為：

2.4對比分析

比較氫在滲鋁鋼中的擴散系數公式和氫在30CrMo鋼中的擴散系數公式及相關數據，30CrMo鋼的最大氫滲透電流Imax比滲鋁鋼的Imax要大30～40倍，30CrMo鋼的氫擴散系數D比滲鋁鋼中的D要大61～342倍。滲鋁鋼的氫擴散激活能Q比30CrMo鋼的氫擴散激活能Q大1.6倍，即氫在滲鋁層中的擴散需要的推動力(即需要的能量)比30CrMo鋼大1.6倍。滲鋁鋼對氫擴散的阻滯作用比較明顯，因此，滲鋁鋼比非滲鋁鋼具有更好的抗氫損傷性能。

3結語

(1)在實驗條件下，30CrMo鋼和30CrMo滲鋁鋼抗硫化氫應力腐蝕開裂的最大許用應力分別約為365 MPa(g)和640 MPa(g)，30CrMo滲鋁后，其抗硫化氫應力腐蝕開裂性能提高了75%。

(2)在實驗條件下，只含氯離子的弱酸性腐蝕性介質對30CrMo鋼及其滲鋁鋼產生應力腐蝕斷裂的可能性很小。

(3)在實驗條件下，30CrMo滲鋁鋼比30CrMo鋼的氫擴散激活能Q大1.6倍，即滲鋁鋼有更好的抗氫損傷性能。

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Research on Aluminized Steel for Resisting Stress Corrosion Cracking and Hydrogen Embrittlement

WU Hao1, LI Hua-fei2

(1.WuhuanEngineeringCo.，Ltd.,WuhanHubei430223China; 2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,WuhanHubei430073China)

Abstract：Using 30CrMo steel as the matrix, resistance to hydrogen sulfide stress corrosion cracking test and resistance to chloride ion stress corrosion cracking test were carried out respectively for 30CrMo steel and its aluminized steel. Using Devanathan double cell technology, and we measured hydrogen diffusion coefficient. Experimental results show that, aluminized steel of 30CrMo has better resistance to hydrogen sulfide stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement, and single chloride ion has little influence on the stress corrosion cracking for 30CrMo steel and its aluminized steel.

Keywords：30CrMo; aluminized steel; hydrogen sulfide; chloride ion; stress corrosion cracking; hydrogen diffusion

收稿日期：2015-11-19

作者簡介：吳昊(1983年-)，男，湖北武漢人，2008年畢業(yè)于華中科技大學化工過程機械專業(yè)，碩士，工程師，現主要從事材料控制與應力控制工作。

項目基金：國家自然科學基金(50842026)

中圖分類號：TG 174.445

文獻標識碼：A

文章編號：1004-8901(2016)01-0017-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.004 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.004