铝涂层对X80钢腐蚀疲劳性能的影响及作用机理

摘要

钻井隔水管在深海环境中的失效主要表现为海水的腐蚀因素和海流的力学因素综合作用下的腐蚀疲劳失效。为增强隔水管耐海水腐蚀疲劳的性能，提高隔水管的使用寿命，一般选用高强度管线钢制造隔水管，并对其进行一定的腐蚀防护。针对深海钻井隔水管的失效形式，本课题自行设计制作了一台悬臂梁往复弯曲腐蚀疲劳试验机，用以模拟隔水管在深海环境中的实际工况条件。该试验机由机械系统、电机控制系统、温度控制系统以及计数装置组成，能稳定运行并能准确记录试样的腐蚀疲劳寿命。
　　 课题选用X80管线钢作为研究对象，以3.5％的NaCl溶液作为腐蚀介质，利用自制的腐蚀疲劳试验机分别对X80裸钢和铝涂层包覆钢进行高应力(360MPa)和低应力(140MPa)下的腐蚀疲劳试验，采用光学显微镜、扫描电镜和电子探针等分析手段对实验数据进行观察分析。试验结果表明：随着应力幅的降低，裸钢和涂层包覆钢试样的腐蚀疲劳寿命均有大幅度提高；在高应力条件下，试样的腐蚀疲劳裂纹的萌生位置与腐蚀坑的关系不大，说明腐蚀因素起的作用较小，而在低应力作用下，腐蚀疲劳裂纹明显萌生于腐蚀坑，说明腐蚀因素起的作用较大；在两种应力条件下，铝涂层的存在均能够显著提高X80钢试样的腐蚀疲劳寿命。
　　 本文利用透射电镜对X80裸钢的腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展机理进行了分析研究。研究结果表明，试样表面腐蚀疲劳裂纹的萌生和断口上二次裂纹的出现均与裂尖晶粒的往复滑移有关，腐蚀介质的存在使得X80裸钢裂尖的滑移多为不可逆滑移，从而导致了损伤的积累，加速了腐蚀疲劳裂纹的萌生与扩展；铝涂层的阴极保护作用降低了腐蚀介质对裂尖滑移的影响，使得试样裂尖的滑移多为可逆滑移，疲劳损伤不易积累，故铝涂层能显著提高试样的腐蚀疲劳寿命。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 深海油气资源的开发现状

1.2.1 世界海洋石油资源开发格局

1.2.2 中国海洋油气资源的开发现状

1.2.3 深海油气资源开发的局限和挑战

1.3 隔水管相关情况

1.3.1 隔水管用材

1.3.2 隔水管工作环境

1.3.3 隔水管主要失效形式及防护方法

1.4 腐蚀疲劳

1.4.1 疲劳和腐蚀疲劳及其特点

1.4.2 腐蚀疲劳机理及其影响因素

1.4.3 腐蚀疲劳的防护

1.5 电弧喷涂技术在腐蚀与防护方面的应用

1.6 课题研究内容

第二章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 电化学测试

2.2.1 恒应变加载装置的设计

2.2.2 电化学测试

2.2.3 试样表层形貌观察

2.3 腐蚀疲劳试验

2.3.1 试样的设计与制备

2.3.2 腐蚀疲劳试验

第三章 腐蚀疲劳试验机的研制

3.1 试验机设计思路

3.2 机械系统的设计

3.2.1 机械系统总体结构和加载、调节原理

3.2.2 偏心轮-连杆机构的设计

3.2.3 轴的设计

3.2.4 调节架的设计

3.3 控制电路的设计

3.3.1 电机的控制系统

3.3.2 环境箱的恒温控制

3.3.3 试样循环计数系统

3.4 试验机总图

3.5 试验机的主要参数

3.6 本章小结

第四章 X80管线钢腐蚀疲劳行为的研究

4.1 应变值对耐蚀性的影响

4.1.1 不同应力条件下的Tafel极化曲线测试

4.1.2 不同应力条件下的EIS测试

4.1.3 试样表层的腐蚀形貌分析

4.1.4 分析与讨论

4.2 X80钢的腐蚀疲劳行为

4.2.1 应力比对X80钢腐蚀疲劳寿命的影响及作用机理

4.2.2 应力幅对X80管线钢腐蚀疲劳行为的影响

4.3 X80钢的腐蚀疲劳断裂机理

4.3.1 X80腐蚀疲劳裂纹萌生机理的研究

4.3.2 X80腐蚀疲劳裂纹扩展机理的研究

4.4 本章小结

第五章 铝涂层对X80钢腐蚀疲劳行为的影响

5.1 铝涂层对X80腐蚀疲劳行为的影响

5.1.1 铝涂层对X80腐蚀疲劳寿命的影响

5.1.2 电弧喷涂铝涂层对X80腐蚀疲劳裂纹形貌的影响

5.1.3 铝涂层对X80钢断口形貌的影响

5.2 铝涂层影响X80钢腐蚀疲劳行为的机理

5.2.1 电弧喷涂铝涂层对腐蚀疲劳裂纹萌生的影响

5.2.2 铝涂层影响腐蚀疲劳裂纹萌生的机理

5.3 电弧喷涂铝涂层对X80钢在裂纹扩展过程中的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

发表论文

致谢