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模拟深海环境X70钢阴极保护过程及其氢脆敏感性研究

张林

  随着海洋石油及天然气开发、利用的快速发展,海上构筑物和深海设施的阴极保护技术已成为金属腐蚀与防护领域研究的一个热点问题。合适有效的阴极保护电位不但能抑制钢材的普遍腐蚀,还能减小钢材的疲劳值,提高钢结构的安全使用系数。此外,阴极保护所产生的石灰质层还可以提高钢材抗腐蚀疲劳性能,阻止疲劳裂纹扩展,增强阴极保护效果等。但如果阴极保护电位过负,引起阴极析氢,有导致高强钢氢脆断裂的危险。因此,在阴极保护设计中,如何选择合适有效的阴极控制电位至关重要。 依据石灰质层的形成特点、氢脆的影响因素及实海环境条件,本文通过改变温度、溶解氧来模拟典型的海洋环境,采用动电位极化方法、恒电位极化方法、慢应变速率拉伸法和Devanathan-Stachurski双面电解池测试技术,对不同模拟环境中X70钢的阴极保护行为及其氢脆敏感性进行了对比研究。 通过动电位极化和恒电位极化实验分析研究了X70钢在不同模拟环境中的阴极极化规律。动电位极化实验结果显示,相对于浅海环境,X70钢在模拟深海环境(4℃、3.0mg/L)和模拟跃层环境(8℃、1.5mg/L)中的析氢电位正移,且在模拟跃层环境X70钢的析氢电位最正。在浅海环境和深海环境中,电位负于-1000mV(SCE,下同)时,析氢反应开始显著。在跃层环境中,电位为-950mV时,析氢反应明显。 恒电位极化实验结果显示,在模拟深海和模拟跃层环境中,X70钢的阴极极化电流密度很小,极化电流密度的下降速率很慢。线性极化表明,在不同的实验环境中,随着电位的负移,极化电阻都出现极大值。浅海环境中,电位为-900mV时极化电阻数值最大,而在模拟深海和模拟跃层环境中极化电阻均在-1000mV下最大。表面成分分析表明,石灰质垢层的主要成分都是CaCO_3和Mg(OH)_2。当极化电位较小时沉积层的主要成分是CaCO_3,随着极化电位的加大,Mg(OH)_2的含量增加。浅海环境中,石灰质垢层容易形成,-900mV和-950mV是形成良好石灰质垢层合适的极化电位。模拟深海和模拟跃层环境中,石灰质垢层不易形成,电位要达到-1000mV时才能形成较好的沉积层,较之浅海环境,致密性差,且比较薄。 通过Devanathan-Stachurski双面电解池测试技术和慢应变速率拉伸法分别研究了不同模拟环境中阴极极化电位对X70钢的氢脆敏感性影响规律。氢渗透实验结果显示,随着阴极极化电位的负移,氢在钢材中的扩散系数减小,在材料表面聚集的氢原子浓度增大,阴极极化下氢在材料中扩散系数的大小顺序为浅海条件>模拟跃层条件>模拟深海条件。 慢应变速率拉伸实验结果显示,最大抗拉强度、屈服强度等强度指标与氢脆敏感性无关,断裂时间、延伸率、断裂能等塑性指标随极化电位负移逐渐减小,氢脆系数逐渐增加,氢脆敏感性增强。浅海环境中,极化电位为-950mV时,氢脆系数接近危险区,呈现准解离断裂特征形貌。极化电位为-1050mV时,氢脆系数进入脆断区,断裂能低于80%,属于脆性断裂。模拟深海环境中,极化电位为-950mV时,氢脆系数处于安全区,断口仍以微孔聚集性的韧性断裂为主。极化电位为-1050mV时,氢脆系数进入危险区,呈现明显的准解离断裂特征形貌。模拟跃层条件下,X70钢的氢脆敏感性介于浅海环境和模拟深海环境之间。 最后结合各实验结果对X70钢在海水中阴极保护控制电位得出结论,认为浅海环境和模拟跃层环境中电位应分别控制在-900mV~-950mV,-950mV~-1000mV。模拟深海环境中保护电位应控制在-1000mV,保护效果较好。……   
[关键词]:X70钢;石灰质垢层;氢脆;深海;阴极保护
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:中国海洋大学2011年