摘 要:对压力容器用钢ＷＨ530及其用铝及锌铝复合涂层实行热喷涂的试样进行了涂层结合强度及Ｈ2Ｓ应力腐蚀试验。结果表明,铝涂层可显著提高抗Ｈ2Ｓ应力腐蚀能力,锌铝复合涂层较差;文中同时对锌铝涂层的失效机理进行了探讨。
关键词:压力容器 硫化氢应力腐蚀 热喷涂技术
1 引言
碳钢及低合金钢在湿硫化氢环境中发生的硫化物应力腐蚀开裂(ＳＳＣ)是石油化工设备安全隐患之一。国内外最新研究结果表明:对低浓度硫化氢环境,可通过净化材质、大幅降低Ｓ、Ｐ含量、改善材料组织结构等措施对ＳＳＣ加以防护;但对于高浓度的硫化氢环境,就目前的钢材冶炼水平,即使钢材纯净度达到Ｓ含量在0 002%以下的超低水平,仍难以避免发生ＳＳＣ[1]。因此,近年来有采用热喷涂技术防止发生Ｈ2Ｓ应力腐蚀的报道[2、3]。热喷涂技术用于防止金属一般腐蚀已有多年历史,技术上也较成熟;但用于防止Ｈ2Ｓ应力腐蚀尚属新课题。从技术和经济角度考虑,对大型设备,热喷涂材料采用铝及锌铝合金较为普遍。为探讨对防止Ｈ2Ｓ应力腐蚀的效果,本文以武钢压力容器用钢ＷＨ530为对象,对其基材及其用铝涂层及锌铝复合涂层热喷涂的试样分别进行了涂层结合强度及应力腐蚀性能试验。并对试验结果进行了机理分析。
2 试验材料
喷涂试验基材采用由武汉钢铁(集团)公司提供的ＷＨ530高强度低合金钢,其化学成分及力学性能见表1（略）及表2（略）。涂层采用24目刚玉砂进行喷砂处理,压力为5～6ｋｇ;随后进行电弧喷涂,电弧喷涂工艺参数见表3（略）。底锌面铝复合涂层中锌铝层各厚100μｍ,热喷涂铝层厚度200μｍ。
3 试验结果
3.1 涂层结合强度试验
本试验按ＧＢ8642—88[4]进行。试验在ＣＳＳ-1110型电子万能试验机上进行,加载速度为3ｍｍ/ｍｉｎ,试件直径 25ｍｍ,试验结果见表4（略）。试验结果表明,铝涂层与钢铁基体的结合强度是底锌面铝复合涂层与钢铁基体结合强度的5倍。
3.2 恒负荷拉伸试验
本试验执行ＧＢ4157—84[5]并参照美国腐蚀工程师协会ＮＡＣＥＴＭＯ177—96[6]。试验在Ｐ1500应力腐蚀横负荷拉伸试验机上进行。试件为 5ｍｍ圆截面光滑试件。将基材试件及涂层试件浸入ＮＡＣＥ标准饱和Ｈ2Ｓ溶液中进行恒负荷拉伸试验,其试验结果见表5（略）。取出在恒负荷试验1100小时后断裂的锌铝复合层试件,发现浸入腐蚀溶液中的锌铝复合层全部溶解,靠近腐蚀溶液界面的锌铝复合层中的面铝层剥开,剥开的铝层下面是锌的腐蚀产物。而同时取出铝涂层试件,发现铝层完好。
3.3 简支梁应力腐蚀试验
本试验参照ＮＡＣＥＴＭＯ177—96的标准[6]进行。试件为80ｍｍ×6ｍｍ×2ｍｍ的小试件,并在试片中部开有两个 Φ0.8ｍｍ应力提升孔。将承受一定挠度的简支梁试片浸入ＮＡＣＥ的标准饱和Ｈ2Ｓ溶液中15天,试验结果见表6(略)。
4 对试验结果的机理分析
由表5可知,未喷涂的试件,在σ=0.8σs时,只承受47小时即行断裂;而热喷涂铝或锌铝复合涂层后,可承受1100小时以上。这说明热喷涂可显著提高抗Ｈ2Ｓ应力腐蚀性能。同时,就铝涂层同锌铝复合涂层比较而言,从表4可知,铝涂层与钢铁基本的结合强度比锌铝复合涂层要高约5倍;从表5可知,在σ=0.8σs承受1100小时后锌铝涂层试件发生断裂;而铝涂层试件未断,尚可继续承载。因此铝涂层比锌铝负荷涂层具有更好的抗Ｈ2Ｓ应力腐蚀能力。
铝涂层之所以具有较强的抗应力腐蚀能力,无疑是由于它腐蚀电位较基体(钢材)为低,能起到牺牲阳极(涂层)保护阴极(基材)的作用。从试验过程的观察推知,底锌面铝复合涂层的失效大致经历如下过程:首先是涂层浸泡一段时间以后,腐蚀介质穿透表面的铝涂层进入锌涂层,腐蚀介质中大量的氯离子溶解锌表面的保护膜,并且氯离子与锌反应,形成可溶性盐,松散的堆积在锌表面,致使上面的铝层失去了与底面锌层的结合力,失去附着力的铝涂层很快开裂,而锌涂层将以更快的腐蚀速度溶解,又促进面铝层的开裂脱落,最终导致整个锌铝复合层完全溶解。
锌铝复合涂层的失效本质上是在偏酸性的复合介质环境下,由于保护膜的生成,导致锌的腐蚀电位要比铝的腐蚀电位低,从而导致锌的优先溶解。即便是锌铝合金涂层,也存在富锌相的优先溶解(即选择性腐蚀)[7],由此得知,在腐蚀试验的初期,即当腐蚀介质还未渗透到底锌涂层时,底锌面铝复合涂层的防腐机理实际就是面铝涂层的防腐机理,底锌涂层没有参与阴极保护作用;而当腐蚀试验的时间足够长,一旦腐蚀介质渗透到底锌涂层,就会发生锌的优先溶解,致使面铝涂层开裂脱落,这时面铝涂层良好的耐蚀性也表现不出来。
钢材Ｈ2Ｓ应力腐蚀开裂一般认为是氢致开裂机制控制,故不论是铝涂层或铝锌涂层,在长时间腐蚀介质作用下,氢离子均有可能穿过涂层孔隙渗入到基体金属中诱发应力腐蚀开裂。因此,任何涂层的防护Ｈ2Ｓ应力腐蚀功能并不会是绝对长效的;但从本文恒负荷拉伸试验结果看,有涂层的试件寿命比无涂层的试件寿命至少已超过20倍以上,而且需要指出,由于本文各项试验是为了着重考察涂层本身的性能,都是在没有对涂层表面封孔的情况下进行的;而工程上完整的热喷涂工艺都包括对涂层进行表面封孔,以期得到最大的防护效果。因此,在实际工程应用中,还要进行表面封孔,涂层的实际防护寿命应比本文试验寿命还要高出更多。
5 结论
ＷＨ530钢经热喷涂后可显著提高抗Ｈ2Ｓ应力腐蚀能力;热喷涂铝涂层较锌铝复合涂层更适于抗Ｈ2Ｓ应力腐蚀。
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