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中国雅丹地貌土壤中UNS S31083双相不锈钢的腐蚀行为

2017-01-04 09:08:31
作者:Li Xunji等
来源:materialsperformance

由于中国西部地区天然气田产生的天然气中二氧化碳(CO2)和氯化物含量高,高性能双相不锈钢(SS)(UNS S31083)被选为该区域的集气和输送管道。虽然UNS S31083双相不锈钢在以前的研究中显示出优良的氯化物和CO2 耐受性,但是对于中国的雅丹地貌的强腐蚀性土壤没有研究历史。

    由于中国西部地区天然气田产生的天然气中二氧化碳(CO2)和氯化物含量高,高性能双相不锈钢(SS)(UNS S31083)被选为该区域的集气和输送管道。虽然UNS S31083双相不锈钢在以前的研究中显示出优良的氯化物和CO2 耐受性,但是对于中国的雅丹地貌的强腐蚀性土壤没有研究历史。


    为了填补这个缺口,我们使用54个试样在一年间隔后分批埋藏和挖掘,并进行重量损失试样测试,评价重量损失,腐蚀形态和计算的腐蚀速率。结果表明,UNS S31083双相不锈钢即使在三年的埋藏后仅发生轻微的腐蚀; 并且不需要对埋藏在该区域中的管道采用额外的阴极保护。


    在中国西部在气田中产生的天然气含有高浓度的二氧化碳(CO2 )和氯化物,产生的气体是高度腐蚀性的,二氧化碳含量高达0.72%,氯离子含量高达10,677mg / L,溶解气体含量高达2,206mg / L,地层水的pH范围为5.91至7.23,这种环境对管道的内部腐蚀保护提出了巨大的挑战。


    此外,该地区的土壤环境被归在高度腐蚀性这一类,这个气田位于雅丹地貌的中国西部深处,由几十万年的风蚀形成。这里的地球表面主要被砾石覆盖,几乎没有植被,可溶性盐含量为0.35?6.08%,土壤电阻率为5.15?15.08Ω·m。当天然气管道被埋藏在这个雅丹土壤中时,侵蚀性内部条件和外部腐蚀环境对安全操作提出了巨大的挑战。


    考虑到所有这些因素,连同这种高产气田的关键重要性,材料选择证明使用耐腐蚀合金是合理的。在工程设计阶段,选择双相不锈钢(SS)以抵抗氯化物和二氧化碳腐蚀。然后选择AVESTA SAF 2205?(UNS S31083)用于该气田中几乎所有的气体收集传输干线管道。 UNS S31083双相不锈钢是第二代新型双相不锈钢,含有氮以及22%Cr,3%Mo和7%Ni。固溶处理后,铁素体和奥氏体的比例几乎相等。其组成和微观结构决定了其优异的机械性能和耐几种类型的腐蚀:均匀,点蚀,缝隙和应力腐蚀开裂(SCC)。


    研究了UNS S31083双相不锈钢在具有二氧化碳,水和氯化物的腐蚀性条件下的分析,并在中国国内研究机构进行了相关实验。1-4所有结果都得出结论,UNS S31083表现出优越的耐氯化物和二氧化碳性能;然而,关于该合金在高腐蚀性的雅丹土壤中埋置时的外部耐腐蚀性,尚未发现先前的研究。


    重量损失试样测试


    为了研究UNS S31083双相不锈钢在雅丹土壤中的腐蚀行为并确定金属的阴极保护(CP)要求,按照中国标准SY / T0029-2012.5进行了减重试样测试。54个UNS S31083试样埋在雅丹土壤中,深度为1.5m。裸露的试样在没有和具有牺牲阳极CP的情况下被掩埋。


    在一年,两年和三年后分批开采试样。对每批进行实验室测试和分析以确定腐蚀形态,腐蚀产物的组成和基于重量损失的腐蚀速率。


    对于每批开采的试样,用砂,颗粒和其它材料覆盖试样表面; 然而,在用去离子水进行表面清洁后,54个试片中仅有5个仍然附着灰白色材料(图1)。 其余的试样具有明亮的金属表面,没有附着可见的腐蚀产物,没有可见的腐蚀迹象。值得注意的是,在基底中具有划痕的试样的腐蚀基本上与没有划痕的那些相同。图2示出了在钝化膜被破坏的沿着切割线的局部区域中没有可见腐蚀的刮擦试样。这可能是由于UNS S31083高性能双相不锈钢的强自钝性能力。尽管表面钝化膜的破坏,这种材料能够自修复,从而防止腐蚀发展。

 

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    图1:表面清洁后灰白色表面材料留在试样No. 022表面。

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    图2: 样品067(表面有划痕)经过三年的掩埋后依然光洁。


    利用扫描电子显微镜(SEM)(JSM-5600LV扫描电子显微镜,JEOL有限公司)和能谱分析来检查在试样No.7上形成的灰白色表面材料。分析结果显示,表面材料主要由Ca,O,C和Si以及一些其它元素组成。同时,未表明Cr,Mo和Ni的存在,这证实了UNS S31083在组成上没有经历任何可区分的,腐蚀诱导的变化。


    对试样表面形成的灰白色材料进一步使用x射线衍射仪(XRD-6100x射线衍射仪,Shimadzu Corp.)进行测试。结果显示产物主要是碳酸钙(CaCO3)和二氧化硅(SiO2)。能谱分析或X射线衍射(XRD)分析均未给出所附材料组成中Cr,Ni,Mo或N的任何迹象。 XRD结果与能谱分析结果一致,这证实在这些试样上没有发生腐蚀。


    通过研究了UNS S31083高性能双相不锈钢在雅丹土壤中的腐蚀行为,以确定基于重量损失试样的CP的必要性。将试件埋在雅丹土壤中,每隔一年进行分批挖掘检查。将挖掘的试样清洁并称重以量化重量损失。分析附着的材料以表征任何腐蚀。


    对54个埋入的试样的测试我们最终可以得出以下结论:


    尽管有高腐蚀性的雅丹土壤环境,UNS S31083双相不锈钢试样在三年后才被轻微腐蚀。计算的平均腐蚀速率约为0.000至0.001mm / y,表明该合金具有优异的抗土壤腐蚀性。并且在他们的表面有划痕的试样看起来和没有划痕的几乎相同。这种在保护表面层已被破坏的情况下没有腐蚀的现象可以通过该双相SS合金的自修复能力来解释。


    使用锌或镁牺牲阳极,没有和有CP的试样之间没有可辨别的差异。因此,不需要为埋藏在该区域的侵蚀性土壤中的UNS S31083管道调整附加的CP。


    根据三年的54个试样的测试结果显示,在雅丹土壤环境中选择UNS S31083高性能双相不锈钢用于采气管道和输气管道是十分合理的。

 

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责任编辑:王元

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标签: 雅丹地貌, UNS S31083双相不锈钢, 腐蚀, 腐蚀行为

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