非调质N80钢表面热浸镀及其复合处理层的制备与性能

摘要

随着我国各主要油、气田已逐渐进入了开采的中后期阶段，开采出的石油、天然气中，水、二氧化碳及硫化氢等腐蚀介质的含量都逐渐增加，使得石油管的腐蚀程度日益严重。而目前应用较多的防腐技术存在成本较高或耐蚀性较差等缺点，因此，寻求新的防腐技术仍然迫在眉睫。
　　 由于热浸镀铝及铝锌合金镀层具有良好的耐蚀性且成本较低，因此本文系统研究了热浸镀铝及铝锌合金对石油管常用材质非调质N80钢防腐性能、力学性能的影响及机理，并就如何进一步改善热浸镀后N80钢的防腐、力学性能进行了研究和探讨。
　　 首先详细研究了一浴法、二浴法及钝化法三种热浸镀铝工艺对镀层质量和性能的影响，从镀层厚度、连续性、耐蚀性和显微组织形貌几个方面进行分析比较。通过对三种工艺的研究来确定非调质N80钢热浸镀铝的工艺方法。三种工艺方法得到的镀铝层均由表面纯铝层和中间合金层组成，但在相同的参数下，镀层的厚度、致密性及耐蚀性不同。对于镀层总厚度，钝化法的最厚，二浴法的次之，一浴法的最薄；而对于镀层致密性及耐蚀性，二浴法的最佳，一浴法的次之，钝化法的最差。与其他两种工艺方法相比，二浴法工艺稳定，得到的镀铝层质量更好，因此本文确定非调质N80钢的热浸镀铝工艺为二浴法。
　　 研究了激光重熔工艺参数对扩散型热浸镀铝层裂纹和空洞的影响，采用JHM-1GY-400型YAG（晶体）激光器对扩散型热浸镀铝Q235钢的表面进行激光重熔处理，优选出最佳工艺参数，借助于扫描电镜、电子探针、金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计等设备对激光处理后镀铝层的显微形貌、组织结构及性能进行了分析。通过测定在3.5％NaCl水溶液中阳极极化曲线，讨论了激光重熔处理对镀铝层耐蚀性的影响。适当的激光重熔处理可消除镀铝层中的裂纹及空洞，镀层变得更加致密，从而使其在3.5％NaCl水溶液中的耐蚀性高于未激光处理的镀层。并且其显微组织发生了高铝ζ相(FeAl2)向低铝β2相(FeAl)的转变，导致镀层显微硬度和脆性降低，镀层综合性能得到改善。
　　 通过比较镀铝前后非调质N80钢的显微组织和力学性能，研究了热浸镀铝过程对其力学性能的影响。为了提高镀铝后N80钢的力学性能，采用正交实验法对镀铝后的N80钢进行调质和亚温淬火处理。热浸镀铝后N80钢组织中V、Ti等合金元素的析出相长大、珠光体部分球化，使其强度、塑性有所下降，其中抗拉强度下降了13％，不能满足API SPEC5CT标准的要求。通过适当的调质处理或亚温淬火、回火处理，可使镀铝后N80钢的抗拉强度由663MPa提高至810～845MPa，塑性和冲击韧性等力学性能也有所改善，但增加了生产成本且镀铝层会发生扩散反应而使镀层耐蚀性有所下降。通过试验研究，本文提出采用高温热浸镀铝→水淬→高温回火的方法来对非调质N80钢进行处理，此方法在获得质量良好的镀铝层的同时，得到了与亚温淬火、回火处理后相同的力学性能，且工艺简单，成本较低。
　　 采用静态浸泡试验和电化学试验研究了热浸镀铝对非调质N80钢防腐性能的影响，并且，为了进一步提高热浸镀铝层的耐蚀及耐结垢性能，在热浸镀铝层上分别化学镀Ni-P合金和涂敷纳米环氧涂层，研究两种复合镀层的耐蚀及耐结垢性能。热浸镀铝层因其表面生成了一层致密的Al2O3保护膜而使N80钢的防腐性能显著提高。而化学镀镍层和环氧树脂涂层因具有表面光滑、与铝镀层结合力强，可使铝镀层与环境隔离等特点，而使热浸镀铝加化学镀Ni-P合金复合镀层和热浸镀铝加环氧树脂复合涂层均可以进一步提高N80钢的耐蚀及耐结垢性能。其中热浸镀铝加环氧树脂复合涂层施工方便，成本较低，具有广阔的应用前景。
　　 通过对非调质N80钢热浸镀55％Al-Zn合金的水溶液助镀法和电解活化助镀法的研究和比较，提出了一种新的助镀方法，即电解活化加浸4％K2ZrF6水溶液助镀法。此方法可克服水溶液助镀法和电解活化助镀法各自的不足而得到质量良好的镀层。在此基础上，通过静态浸泡试验、电化学试验研究了热浸镀55％Al-Zn合金后N80钢在不同腐蚀介质中的耐蚀性；通过拉伸和冲击试验研究了热浸镀Al-Zn合金过程对N80钢力学性能的影响。非调质N80钢热浸镀55％Al-Zn后，在3％NaCl水溶液及人工配制的腐蚀介质中的耐蚀性均显著提高，接近于热浸镀铝后的耐蚀性。同时，热浸镀过程使N80钢基体的组织变得更加均匀细小，析出相数量增加且尺寸无明显变化，从而导致N80钢的强度、塑性及冲击韧性等力学性能显著提高，并且其工艺简单，生产成本较低，通用性强，说明采用此技术来提高石油管的防腐性能是可行的。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 石油工业中石油管的腐蚀类型及防腐措施

1.2.1 石油工业中石油管的腐蚀类型及特点

1.2.2 石油管的常用材质及主要防腐措施

1.3 热浸镀铝及铝锌合金技术

1.3.1 热浸镀铝行业的发展及现状

1.3.2 热浸镀铝工艺的种类

1.3.3 热浸镀铝层的组织结构及形成机理

1.3.4 热浸镀铝钢材的性能

1.3.5 热浸镀铝锌合金

1.4 论文研究目的及研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料与设备

2.1.1 基体材料与尺寸

2.1.2 热浸镀铝及铝锌合金设备

2.2 热浸镀铝工艺流程及参数

2.3 结构及性能测试

2.3.1 镀铝层厚度的测量

2.3.2 显微组织观察及分析

2.3.3 镀层显微硬度

2.3.4 镀层及基体表面粗糙度

2.3.5 硝酸腐蚀试验

2.3.6 中性盐雾试验

2.3.7 静态浸泡试验

2.3.8 电化学极化曲线和交流阻抗(EIS)测量

2.3.9 力学试验

第3章 热浸镀铝工艺方法的比较及选择

3.1 镀层的宏观质量

3.2 镀层的厚度

3.3 镀层的针孔量

3.4 镀层的显微结构

3.5 盐雾腐蚀试验评价镀层的耐蚀性

3.6 工艺方法对扩散型热浸镀铝层厚度和组织的影响

3.7 本章小结

第4章 激光重熔改善扩散型热浸镀铝层组织及性能

4.1 激光重熔过程裂纹产生的机理

4.2 激光重熔工艺参数对重熔层裂纹及空洞的影响

4.2.1 激光扫描速度

4.2.2 激光输出电流

4.2.3 激光的搭接量

4.3 激光重熔层的组织与性能

4.3.1 激光重熔层的显微组织

4.3.2 激光重熔层的显微硬度

4.3.3 激光重熔层在3.5%NaCl水溶液中的阳极极化曲线

4.4 本章小结

第5章 非调质N80钢热浸镀铝后的力学性能

5.1 热浸镀铝对非调质N80钢组织及力学性能的影响

5.1.1 镀铝层的显微组织

5.1.2 力学性能

5.2 非调质N80钢力学性能的改善

5.2.1 调质处理

5.2.2 亚温淬火处理

5.2.3 高温热浸镀铝

5.3 本章小结

第6章 非调质N80钢热浸镀铝及其复合涂镀后的防腐性能

6.1 非调质N80钢热浸镀铝层的防腐性能

6.1.1 静态浸泡试验

6.1.2 塔菲尔极化曲线

6.2 热浸镀铝加化学镀Ni-P合金复合镀层

6.2.1 铝镀层上化学镀Ni-P合金的原理及制备

6.2.2 热浸镀铝加化学镀Ni-P合金复合镀层的性能

6.3 热浸镀铝加环氧树脂复合涂层

6.3.1 铝镀层加环氧树脂复合涂层的原理及制备

6.3.2 铝镀层加环氧树脂复合涂层的性能

6.4 本章小结

第7章 非调质N80钢热浸镀55%Al-Zn合金

7.1 实验材料与方法

7.1.1 热浸镀55%Al-Zn合金工艺

7.1.2 组织及性能检测

7.2 热浸镀55%Al-Zn合金的助镀剂

7.2.1 水溶液助镀剂

7.2.2 电解活化助镀工艺

7.2.3 电解活化加水溶液助镀工艺

7.2.4 电解活化加水溶液助镀法作用机理

7.3 55%Al-Zn合金镀层显微组织及性能

7.3.1 55%Al-Zn镀层的显微组织

7.3.2 55%Al-Zn合金镀层的耐蚀性

7.3.3 55%Al-Zn合金N80钢的力学性能

7.4 本章小结

第8章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表和撰写的论文目录

论文创新点

工作展望

致谢