硫酸露点腐蚀用钢成分设计及耐蚀机理研究

摘要

由于低碳钢价格低,并具有良好的机械性能,所以它被作为一种重要的合金应用在储存罐、石油炼化设备等等。但是低碳钢在酸性环境下很容易腐蚀,这将限制了低碳钢的应用。众所周知,通过仔细控制元素含量可以显著提高低碳钢的硫酸露点腐蚀性。
　　本课题采用四因素三水平正交表设计实验来优化对低碳钢的耐硫酸露点腐蚀性能有重要影响的C、S、Cu、Sb这四种元素。根据耐硫酸露点腐蚀钢的实际工作环境,选定浓度20％、温度20℃,浓度50%、温度70%两种典型工作环境,采用浸泡腐蚀和极化曲线研究设计刚的腐蚀特性。对不同腐蚀环境下的试样进行SEM、EDX、XRD、EMPA,研究低碳钢在不同腐蚀环境中的腐蚀特性,对多元元素对低碳钢耐蚀性提高的机理进行讨论。
　　浸泡腐蚀试验表明:20℃、20%硫酸浓度条件下,影响耐蚀性能的元素顺序是Cu>Sb>C>S,元素最佳成分是C0.05%、S0.007%、Cu0.4%、Sb0.02%;70℃、50%硫酸浓度条件下,影响耐蚀性能的元素顺序是Sb>C>S>Cu,元素最佳成分是C0.11%、S0.02%、Cu0.4%、Sb0.08%。正交设计的9种钢在浓度20%的硫酸溶液中相对普通碳钢的腐蚀速率介于4.78~10.28%之间,浓度50%的硫酸溶液中相对普通碳钢的腐蚀速率介于16.41~26.00%之间。按照最佳成分炼制的钢在浓度20%和50%的硫酸溶液中浸泡的相对腐蚀速率分别为5.34%和14.89%。结果表明成分优化钢的相对腐蚀速率在50%的硫酸溶液中是最小的,正交优化结果得到验证。
　　极化测试试验表明:20℃、20%硫酸浓度条件下,影响耐蚀性能的元素顺序是C>Sb>Cu>S,元素最佳成分是C0.05%、S0.013%、Cu0.4%、Sb0.02%;70℃、50%硫酸浓度条件下,影响耐蚀性能的元素顺序是Sb>S>C>Cu,元素最佳成分是C0.11%、S0.02%、Cu0.4%、Sb0.08%;极化测试中,正交设计的钢在浓度20%的硫酸溶液中相对腐蚀速率介于3.55~9.21%之间,浓度50%的硫酸溶液中相对普通碳钢的腐蚀速率介于18.21~28.82%。成分优化钢在两种腐蚀环境中的相对腐蚀速率分别为4.06%和14.48%,结果表明成分优化钢的相对腐蚀速率在50%的硫酸溶液中是最小的,正交优化结果得到验证。成分优化钢的腐蚀电位正移和腐蚀电流减小;随着硫酸浓度的增加,腐蚀电流增加,腐蚀电位正移。在20%的硫酸溶液中,普通碳钢的腐蚀电位为-442.5mV,腐蚀电流密度为2.79mA/cm2;而成分优化钢的腐蚀电位为-403.5mV,腐蚀电流密度为0.15mA/cm2。在50%的硫酸溶液中,普通碳钢的腐蚀电位为-349.7mV,腐蚀电流密度为43.53mA/cm2;成分优化钢的腐蚀电位为-346mV,腐蚀电流密度为7.89mA/cm2。
　　XRD、EDX和EPMA检测结果表明Cu、Sb、S和Cr在成分优化钢表面腐蚀产物中富集;而普通碳钢表面的腐蚀产物中,只有Si和S元素富集。普通碳钢的腐蚀产物是由Fe2(SO4)3和FeSO4组成,成分优化钢的腐蚀产物是由(Cu,Fe)SO4、FeSbO4、FeSb2O4、CuSbO4和CuO组成。通过热力学分析,Cu和S元素富集生成可以在硫酸溶液中稳定存在的Cu2S或是CuS。
　　普通碳钢在20%和50%的硫酸溶液中腐蚀严重,而成分优化钢在两种环境下表现出良好的耐蚀性。在20%的硫酸溶液中,浸泡腐蚀和极化测试后,普通碳钢表面的腐蚀产物较少,非常疏松;在50%的硫酸溶液中,浸泡腐蚀和极化测试后,普通碳钢表面的腐蚀产物增多,形成有很多裂纹、不连续的腐蚀产物层。相比之下,成分优化钢在20%和50%的硫酸溶液中都能形成致密的连续的腐蚀产物层,耐硫酸腐蚀性能得到提高。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外硫酸钢露点腐蚀防护研究概况

1.3 本课题研究的意义及目的

1.4 研究内容、技术路线及创新点

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法及设备

2.3 材料分析表征与测试方法

3 全浸泡腐蚀测试结果及分析

3.1 不同腐蚀条件下的实验结果

3.2 全浸条件下腐蚀性能分析

3.3 全浸腐蚀形貌分析

3.4全浸腐蚀正交试验结果验证

3.5 本章小结

4 极化曲线测试结果及分析

4.1 极化曲线测试结果

4.2 极化条件下耐蚀性能分析

4.3 浓度对极化曲线的影响规律

4.4 极化曲线正交试验结果验证

4.5 本章小结

5 耐硫酸露点腐蚀钢成分优化及机理分析

5.1 不同条件下耐蚀钢的优化成分

5.2 耐硫酸露点腐蚀钢耐蚀机理分析

5.3 本章小结

6 全文总结

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文目录