文档介绍：北京科技大学
硕士学位研究生
选题报告及文献综述
论文题目:含硫工况下奥氏体不锈钢的钝化
行为研究
指导教师: 张雷
单位: 新材料技术研究院
学号: g20169161
作者: 张子如
专业名称: 材料科学与工程
入学时间: 2016年9月
2017年06月30日
目录
1. 课题背景和选题意义 1
1
2
2. 文献综述 2
2
3
3
4
5
5
、结构和电特性 6
8
10
H2S对不锈钢的腐蚀 13
H2S的腐蚀原理 13
H2S的破坏机制 15
H2S腐蚀的影响因素 15
高盐环境下的点蚀 17
点蚀的类型 17
点蚀的成核与生长 18
点蚀的影响因素 20
H2S和Cl-共同作用下不锈钢的点蚀 22
3. 研究内容及实验方法 22
研究内容 22
实验方法 23
电化学测试 23
腐蚀模拟实验 24
25
参考文献 26
课题背景和选题意义
随着我国经济的高速发展和能源结构的改变,对于能源的需求越来越大,尤其是对石油、天然气的需求飞速增长。腐蚀环境复杂的高含硫油气田逐渐被开发,诸如川东北罗家寨和普光等高含硫气田。石油天然气的开采力度加大,导致开采环境越来越恶劣,通常含有高浓度的H2S、CO2和多种盐离子,对工程结构材料造成严重的腐蚀。根据工业发达国家的调查,每年因腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的2%~4%,我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿元[1]。
对于高温、高含CO2、高含硫、高含盐等环境中,碳钢和低合金钢的耐蚀性都偏弱,如果单纯的依赖缓蚀剂保护是无法有效抑制腐蚀的,必须采用不锈钢甚至耐蚀合金代替普通钢材,然而,即使采用耐蚀性较高的不锈钢和耐蚀合金,有效地减缓了均匀腐蚀的发生,但仍可能对局部腐蚀敏感,同样严重影响了油气田系统的安全。其中点蚀是局部腐蚀的主要形式,它先由钝化膜的破裂产生,腐蚀主要集中于金属表面的局部区域,它可导致局部区域的穿孔,而金属其他部位不发生腐蚀。此外,点蚀能够加剧其他类型局部腐蚀的发生,如晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等等,腐蚀小孔会成为这些局部腐蚀的起源点,由此导致的破裂事故不断发生。在存在外加应力的情况下,点蚀还可以作为应力腐蚀开裂的起源点。硫化物应力腐蚀开裂(SSC)是耐蚀合金在酸性环境中的主要破坏形式,经常在没有任何征兆的情况下以断裂形式发生,易造成巨大的经济损失和重大的灾难事故。
酸性油气环境下中,材料的点蚀和硫化物应力腐蚀开裂问题,已成为制约油气田安全生产的瓶颈。酸性油气环境中的腐蚀过程是非常复杂的,溶液中的H2S溶度、盐离子溶度、H2S/CO2溶度都可影响材料的腐蚀。在诸多可用于油气田的不锈钢和耐蚀合金中,不同的不锈钢和耐蚀合金种类具有不同的适用性。奥氏体不锈钢是不锈钢中应用最广泛、牌号种类最多的钢种,其塑性和韧性较好,耐蚀能力强。目前,奥氏体不锈钢已经广泛作为管件、复合管内衬层等用于酸性油气田防腐实践。
随着高含硫油气田的开发,不锈钢服役条件的日渐苛刻,输油管道和设备的腐蚀失效案例日益增多。由于H2S的属于易燃、易爆、有毒和腐蚀性的酸性气体,输油管道的泄露不仅会导致生态环境的污染,更会引发灾难性事故,造成重大的人员伤亡和经济损失。通过模拟浸泡实验以及电化学实验,研究H2S、Cl-共存条件下,钝化膜组分、结构以及半导体特性的演化机制,确定不同环境条件下不锈钢的耐蚀性,从而对油气田中不锈钢材料的选用起到一定的理论指导作用。
我国高含硫油气田开发不断深入,虽然对不锈钢在含硫环境中的腐蚀行为研究已开展了大量工作,不锈钢的耐蚀性能受各种环境因素的影响规律也比较明确,但是关于不锈钢钝化膜的演变和性能衰退规律还缺乏理论研究。
不锈钢的良好耐蚀性主要归功于表面的钝化膜,一层极薄的富铬氧化膜。因此对不锈钢耐蚀性的研究,主要集中在对钝化膜的成分、结构、厚度及其在不同腐蚀介质中的腐蚀破坏机制的研究。通过研究在H2S分压、Cl-浓度等因素对不锈钢钝化膜结构性能的影响,明确各影响因素的权重以及相应的破坏/修复机制,为油气田现场的不锈钢选材奠定一定的理论基础。
因此,本文以奥氏体不锈钢在含硫工况下面临的实际腐蚀风险为背景,通过系统研究工作,了解其钝化膜的成分演变和