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拉应力对2205双相不锈钢管耐点蚀性能的影响

目的探究分别在40℃和60℃下,拉应力与2205双相钢耐点蚀性能的关系。方法分析2205双相不锈钢管在施加0140540MPa三种拉应力的条件下,于临界点蚀温度以下(40℃)和临界点蚀温度附近(60℃)的35%NaCl溶液中的动电位极化行为,并对比了不同拉应力对2205双相钢阻抗特性的影响。结果动电位极化曲线表明,140MPa下点蚀电位稳定,4060℃下击破电位分别为0708V540MPa拉应力使双相钢点蚀电位从无应力时的09V下降至03V。阻抗分析表明,40℃时所有样品均为单一阻抗特征,且阻抗值较大,应力会降低阻抗值。在60℃、开路电位条件下,0140MPa拉应力时具有较高阻抗,540MPa拉应力时为具有点蚀萌生的阻抗弧;在60℃、600mV偏压条件下,0540MPa拉应力时呈现点蚀阻抗特征,而140MPa时阻抗仍较高。阻抗谱等效电路拟合结果结合不锈钢管表面微观形貌表明,在40℃溶液中,OCP600mV偏压下试样表面均没有发生点蚀,应力对钝化膜电阻Rp没有明显影响,阻抗值为30000Ω·cm2左右。温度升高至60℃后,钝化膜阻值明显降低;开路电位、540MPa应力条件下不锈钢管发生点蚀,阻抗值由0MPa下的20000Ω·cm2左右降到10000Ω·cm2左右;在600mV偏压下,0540MPa拉应力时均发生点蚀,而140MPa时均未发现点蚀。结论在40℃和60℃,140MPa拉应力可以抑制2205双相钢的点蚀,540MPa拉应力则加速点蚀的发生。

2205双相不锈钢管具有良好的力学性能以及抗应力腐蚀能力,因此获得了广泛应用。由于经常服役于油田、海洋等苛刻环境中,2205双相钢会发生点蚀,而应力对不锈钢管点蚀性能的影响不可忽略。目前,大部分不锈钢管点蚀性能的研究主要集中于温度、表面粗糙度、热处理、溶液离子浓度等因素的影响[16],而应力对双相钢点蚀性能的影响研究相对较少。Parkins提出[7],应力在膜的破裂、再钝化和点蚀形成过程中都起着重要作用。Chen发现[8],残余应力会加剧微小点蚀坑的形成。Zhang等[9]在35%(质量分数,后同)NaCl溶液中对压应力下Fe-20Cr的点蚀行为进行研究,发现压应力促进了蚀孔生长。但LiCheng研究表明[10],载荷很小时,微小形变和应力对点蚀会产生抑制作用。可见,应力对不锈钢管点蚀的作用仍未得到清晰认识。2205双相不锈钢管的临界点蚀温度约为60℃[11],在临界点蚀温度上下特征范围内,应力对双相不锈钢管点蚀行为的影响尚未见报道。为此,文中选取临界点蚀温度以下的40℃和临界点蚀温度附近60℃的35%NaCl溶液[12],对比不同拉应力下2205双相不锈钢管的动电位极化特性,并结合电化学阻抗,分析拉应力对不锈钢管点蚀电化学特性的影响。

1实验

11样品

材料为2205双相不锈钢管试样,其室温拉伸力学性能如图1所示,屈服强度为620MPa,抗拉强度为810MPa。将样品机加工、切割、打磨成拉伸试样,其拉伸平行尺寸为20mm×5mm×2mm。实验前,试样用砂纸打磨至1500#,经丙酮超声清洗后,在60℃的20%(质量分数)HNO3中钝化30min,然后用硅酮胶封闭,使其与溶液的接触面积为1cm2

12电化学测试

采用岛津EHF2000液压伺服疲劳试验机加载拉应力,应力分别为0140540MPa。根据图1可知,加载的拉应力均在双相不锈钢管的弹性变形载荷区域。在CS350电化学工作站上开展35%NaCl溶液中的电化学阻抗和动电位极化测试,采用三电极体系:2205双相钢试样为工作电极,甘汞电极为参比电极,Pt电极为对电极。NaCl溶液通过水浴分别加热至(40±2)、(60±2)℃。分别在开路电位(OCP)和600mV(文中电位均相对于SCE)下进行电化学阻抗(EIS)测试,频率范围为1000001Hz。动电位极化测量范围为-4001200mV,扫描速率为05mV/s

 

 

2结果和分析

21应力对2205双相钢动电位极化的影响

2为在40℃、60℃的35%NaCl溶液中,不同应力下2205双相钢的动电位极化曲线。如图2a所示,在40℃溶液中加载应力时,试样的击破电位随应力的增加而降低,在0140540MPa下的击破电位分别约为090705V;同时,拉应力使不锈钢管阳极区的电流密度增大。如图2b所示,当温度升高至60℃时,无应力条件下的击破电位从09V降低至04V。根据文献,该温度在2205双相钢的临界点蚀温度附近,因此击破电位明显降低。此温度下将拉应力增大至540MPa,同样明显降低了击破电位;同时钝化区的电流密度呈现暂态峰,该峰的出现表明钝化过程中亚稳态点蚀的形成。140MPa下尽管也具有暂态峰,但击破电位仍然较高,约为08V,表明该条件下的耐点蚀能力仍然较强。

22应力对2205双相钢电化学阻抗特性的影响

3为在4060℃的35%NaCl溶液中,于开路电位和600mV偏压条件下测得的阻抗Nyquist曲线。由图3ab可知,40℃时,加载应力减小了阻抗弧半径,电荷转移电阻随之降低。当温度升高至60℃时,0MPa140MPa下的曲线具有较高的阻抗,而540MPa下的阻抗明显降低,如图3c所示。根据阻抗弧形态和值的大小,60℃、开路电位下2205双相钢已经发生点蚀,曲线显示的结果与腐蚀形貌观察一致。在60℃、600mV偏压条件下,0MPa540MPa下的阻抗弧减小,表明电荷转移电阻明显降低,并且观察发现,2205双相钢表面已经形成肉眼可见的点蚀坑;而140MPa下的阻抗弧较大,同时未发现明显点蚀坑。分析结果表明,2205双相钢在140MPa拉应力下耐蚀性较高,而在540MPa拉应力下更易发生点蚀。

4为分析不同条件下的阻抗谱所用的等效电路图。当温度为40℃时(低于临界点蚀温度),试样表面处于钝化状态,采用图4a所示的等效电路。60℃下的等效电路与40℃下的明显不同:在540MPa下形成稳态点蚀时,加入了与钝化区等效电路并联的扩散控制点蚀区的等效电路(其中Rpass为钝化膜电阻,Rpit为点蚀扩散电阻,Rspit为点蚀坑内溶液电阻),如图4b所示;在140MPa下,根据极化曲线和阻抗图可知,主要发生亚稳态点蚀,而没有稳态点蚀,其等效电路如图4c所示。

为了分析双电层的阻抗行为,在图4的等效电路中使用常相位角原件(CPE),其表达式为:ZCPE=P1·(iω)-n1)式中:PCPE的数值;ω是角频率;n是误差参数,0n1。对于含有CPE的等效电路,双电层电容可以根据(2)式得出[14]:Cpass=P1n·R(1n/nct2)从表1可知,40℃、OCP条件下,应力对钝化膜电阻Rpass没有明显影响。从表2可知,在600mV条件下,540MPa的应力降低了钝化膜阻值,由0MPa下的32449Ω·cm2降至15459Ω·cm2。溶液温度升高至60℃后,电荷迁移能力加快,Cl离子对钝化膜的侵蚀性增强,钝化膜阻值明显降低,且发生点蚀时扩散电阻值也相对较低,见表3。当极化偏压从OCP增加至600mV时,钝化膜的常相位角原件n值由大于095降至0607,同样表明此时离子穿透钝化膜的能力得到提高,钝化膜完整性遭到破坏,其结果与文献[14]、[15]报道结果一致。在60℃、140MPa条件下,根据拟合计算结果(表4),其中一个Rpass1值较高,与钝化膜阻值接近,而较低的Rpass2值可能与此时的亚稳态点蚀有关。

23点蚀形貌

5为双相钢在60℃溶液中经过600mV偏压的阻抗测试,3种不同应力条件下试样表面的SEM图像。可以看出,0MPa不锈钢管表面形成了数个点蚀坑,蚀坑最大尺寸约为400μm,且试样表面有产物沉积,如图5a所示。140MPa下的试样表面没有观察到明显的点蚀,如图5b所示。当应力增加至540MPa,点蚀坑肉眼可见,且蚀坑最大尺寸达1mm左右,如图5c所示。这表明140MPa应力可抑制点蚀的形成,而540MPa应力促进点蚀的生长。

3结论

1)动电位极化测试表明,在40℃溶液中,增大拉应力降低了2205双相不锈钢管的击破电位,增加了阳极电流密度;在60℃溶液中,阳极区出现亚稳态暂态峰,0540MPa拉应力下的击破电位明显降低,但140MPa拉应力下仍可维持相对较高的击破电位值。

2)电化学阻抗和等效电路拟合结果表明:540MPa拉应力降低了电荷转移电阻,在60℃、600mV偏压下形成点蚀阻抗特征;140MPa拉应力下没有发现明显的稳态点蚀阻抗特征。这说明140MPa拉应力可以提高2205双相钢的耐点蚀性能。

3)腐蚀形貌分析表明:40℃下试样没有发生点蚀;60℃、600mV下,试样在140MPa下没有发生点蚀,在0540MPa下表面出现较大点蚀坑。该结果可为进一步拓展2205双相钢在温度与应力综合环境中的应用提供支持。

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