分享：316L+Q345R雙金屬復(fù)合板壓力容器的點(diǎn)蝕

我國西部天然氣田常存在高壓、高含CO2、高礦化度、高含Cl-等苛刻工況,為了提升油氣處理工藝系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,壓力容器主要采用內(nèi)涂層壓力容器和內(nèi)覆耐蝕合金復(fù)合板壓力容器[1-2]。內(nèi)涂層常常發(fā)生鼓包、脫落等失效,這增加了開罐檢修的次數(shù),也嚴(yán)重影響了裝置安全生產(chǎn)[3-4],因此對(duì)內(nèi)涂層的選型、涂敷工藝等應(yīng)提出更高的要求。雙金屬復(fù)合板因具有良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐蝕性[5-6],且在使用過程中維護(hù)工作量也較低,所以在天然氣處理工藝中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 

然而,兩種金屬的合金成分、導(dǎo)熱系數(shù)和熱處理溫度存在差異,雙金屬復(fù)合板制造過程會(huì)導(dǎo)致不銹鋼層的耐蝕性下降[7],且在酸性腐蝕環(huán)境作用下,復(fù)合板壓力容器內(nèi)襯層易發(fā)生點(diǎn)蝕[8-9]。點(diǎn)蝕發(fā)生的位置具有隨機(jī)性,同時(shí)在外加載荷條件下腐蝕孔容易穿透或誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂等危害性缺陷,這對(duì)壓力容器的安全服役產(chǎn)生極大威脅[10]。 

筆者考慮316L+Q345R復(fù)合板壓力容器的典型運(yùn)行工況,在復(fù)合板試片上預(yù)制了不同深度的點(diǎn)蝕坑,通過實(shí)驗(yàn)室腐蝕試驗(yàn),探討不同點(diǎn)蝕坑的發(fā)展進(jìn)程及其穿透至碳鋼基材后給復(fù)合板帶來的腐蝕風(fēng)險(xiǎn),為復(fù)合板的點(diǎn)蝕維修、安全運(yùn)行評(píng)估等提供重要的科學(xué)依據(jù)。 

1.   試驗(yàn)

1.1   試樣制備

試驗(yàn)樣品來自某公司生產(chǎn)的復(fù)合板容器封頭開孔余料,該復(fù)合板采用爆炸復(fù)合制成,再經(jīng)過卷筒、焊接等工序拼接成容器本體[11],制造標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)NB/T 47002.1-2019《壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板》。復(fù)合板材料為316L不銹鋼（厚度3 mm）+Q345R鋼（厚度16 mm）。其中Q345R鋼屬于低合金高強(qiáng)鋼,綜合力學(xué)性能和工藝性較好；而316L不銹鋼屬于鉻鎳鉬高合金鋼,具有抗腐蝕和耐高溫等性能,其屈服強(qiáng)度比Q345R鋼低[12]。兩種金屬材料的化學(xué)成分如表1所示。 

將復(fù)合板樣品加工成小試片,尺寸為60 mm×20 mm×7 mm,開?6 mm孔用于懸掛安裝,如圖1所示。為了分析不同點(diǎn)蝕坑深度對(duì)復(fù)合板壓力容器服役安全的影響,利用數(shù)控鉆床在內(nèi)襯層表面中部預(yù)制直徑相同、深度不同的點(diǎn)蝕坑。其中1號(hào)試片點(diǎn)蝕坑處于不銹鋼層,2號(hào)試片點(diǎn)蝕坑底部剛觸及碳鋼層,3號(hào)試片點(diǎn)蝕坑完全穿透至碳鋼層。每個(gè)試片點(diǎn)蝕坑的直徑和深度精確測(cè)量結(jié)果如表2所示。為了提高試驗(yàn)精度,采用樹脂和704硅膠對(duì)試片暴露的碳鋼層進(jìn)行固化密封。 

圖  1  試片加工尺寸

Figure  1.  Processing size of specimen

1.2   浸泡腐蝕試驗(yàn)

采用高溫高壓反應(yīng)釜,模擬塔里木油田典型介質(zhì)組分和工況環(huán)境（見表3）,對(duì)上述制備的1~3號(hào)試片進(jìn)行浸泡腐蝕試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)間為336 h。試驗(yàn)結(jié)束后,利用超景深顯微鏡對(duì)試片及預(yù)制的點(diǎn)蝕坑進(jìn)行形貌觀察和尺寸測(cè)量,并采用掃描電鏡（SEM）及能譜儀（EDS）分析點(diǎn)蝕坑的腐蝕形貌及成分。同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)前后點(diǎn)蝕坑的深度,利用式（1）計(jì)算點(diǎn)蝕速率。 

式中：v為點(diǎn)蝕速率,mm/a；r為點(diǎn)蝕坑深度的增加值,mm；t為試驗(yàn)時(shí)間,h。 

表  3  浸泡腐蝕試驗(yàn)參數(shù)

Table  3.  Immersion corrosion test parameters

溫度/℃	壓力/MPa	介質(zhì)組分
		w（CO）2/%	ρ（Cl-）/（mg·L-1）	ρ（Ca2+）/（mg·L-1）	ρ（Mg2+）/（mg·L-1）	/（mg·L-1）	ρ（K+）/（mg·L-1）	ρ（Na+）/（mg·L-1）	/（mg·L-1）
60	12	2	15×104	1 120	1 880	308	1 140	89 825	389

2.   結(jié)果與討論

2.1   點(diǎn)蝕形貌

由圖2可知：所有預(yù)制的點(diǎn)蝕坑上部邊緣一周均呈現(xiàn)較為規(guī)則的圓形,未見明顯腐蝕擴(kuò)展跡象,也未萌生新的點(diǎn)蝕；1號(hào)試片預(yù)制的點(diǎn)蝕坑內(nèi)可見金屬光澤,2號(hào)和3號(hào)試片點(diǎn)蝕坑內(nèi)可見明顯的腐蝕產(chǎn)物附著。 

圖  2  浸泡腐蝕試驗(yàn)后3個(gè)試片的點(diǎn)蝕宏觀形貌

Figure  2.  Pitting macroscopic morphology of three specimens after immersion corrosion test

由圖3可知：1號(hào)試片預(yù)制的點(diǎn)蝕坑處可見明顯的金屬加工痕跡,3D成像中呈現(xiàn)圓錐形,點(diǎn)蝕坑深度未發(fā)生變化,表明點(diǎn)蝕未發(fā)生明顯擴(kuò)展；2號(hào)和3號(hào)試片點(diǎn)蝕坑內(nèi)部附著了一層腐蝕產(chǎn)物,3D成像與1號(hào)試片呈現(xiàn)的圓錐形相差較大,點(diǎn)蝕坑深度因腐蝕產(chǎn)物的附著而減小。 

圖  3  浸泡腐蝕試驗(yàn)后3個(gè)試片的點(diǎn)蝕坑3D圖像

Figure  3.  3D images of pits in three specimens after immersion corrosion test

由圖4可知,2號(hào)試片預(yù)制的點(diǎn)蝕坑底部剛好觸及Q345R鋼層,Q345R鋼優(yōu)先發(fā)生了腐蝕,形成一個(gè)孔洞,孔洞的深度約0.15 mm,點(diǎn)蝕速率為3.911 mm/a。 

圖  4  浸泡腐蝕試驗(yàn)后2號(hào)試片的點(diǎn)蝕坑截面形貌

Figure  4.  Cross-sectional morphology of the pit of No.2 specimen after immersion corrosion test: (a) low magnification; (b) high magnification

由圖5可知,3號(hào)試片預(yù)制的點(diǎn)蝕坑已完全穿透316L不銹鋼層,Q345R鋼層優(yōu)先發(fā)生了腐蝕,并不斷向周圍擴(kuò)展,測(cè)得點(diǎn)蝕坑底部金屬減薄了約0.19 mm,點(diǎn)蝕速率為4.954 mm/a。 

圖  5  浸泡腐蝕試驗(yàn)后3號(hào)試片的點(diǎn)蝕坑截面形貌

Figure  5.  Cross-sectional morphology of the pit of No.3 specimen after immersion corrosion test: (a) low magnification; (b) high magnification

2.2   腐蝕產(chǎn)物成分

由圖6可知：2號(hào)試片開孔處的腐蝕產(chǎn)物主要集中于點(diǎn)蝕坑底部,腐蝕產(chǎn)物較薄且不致密；腐蝕產(chǎn)物主要成分為C、O、K、Cr、Mn、Fe和Ni元素,推斷存在CO2的腐蝕產(chǎn)物FeCO3,Cr、Fe和Ni都屬于金屬基體元素。 

圖  6  浸泡腐蝕試驗(yàn)后2號(hào)試片點(diǎn)蝕坑沿直徑剖開后的截面SEM形貌和腐蝕產(chǎn)物EDS分析位置及結(jié)果

Figure  6.  SEM morphology of cross-section of pit along the diameter (a) and EDS analysis position (b) and results (c) of corrosion products of No.2 specimen after immersion corrosion test

由圖7可知：3號(hào)試片預(yù)制的點(diǎn)蝕坑底部腐蝕相對(duì)嚴(yán)重,出現(xiàn)了凹凸不平的金屬損失形貌,但上部不銹鋼層較為完好；坑底附著了一層較厚且相對(duì)緊密的腐蝕產(chǎn)物,其成分為C、O、Mn和Fe元素,推斷主要是CO2的腐蝕產(chǎn)物FeCO3。 

圖  7  浸泡腐蝕試驗(yàn)后3號(hào)試片點(diǎn)蝕坑沿直徑剖開后的截面SEM形貌和腐蝕產(chǎn)物EDS分析位置及結(jié)果

Figure  7.  SEM morphology of cross-section of pit along the diameter (a) and EDS analysis position (b) and results (c) of corrosion products of No.3 specimen after immersion corrosion test

3.   結(jié)論

（1）通過在316L+Q345R雙金屬復(fù)合板預(yù)制不同深度的點(diǎn)蝕坑,開展模擬典型CO2腐蝕條件下的浸泡腐蝕試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)點(diǎn)蝕坑處于不銹鋼層時(shí)腐蝕輕微,且未萌生新的點(diǎn)蝕；但當(dāng)點(diǎn)蝕坑底部觸及Q345R碳鋼層時(shí)電偶腐蝕加重,碳鋼層損失形成局部孔洞；而當(dāng)點(diǎn)蝕坑完全穿透至Q345R碳鋼層時(shí),碳鋼層優(yōu)先腐蝕并向周圍不斷擴(kuò)展,電偶腐蝕程度加重。 

（2）建議雙金屬復(fù)合板壓力容器在服役中應(yīng)定期開展無損探傷,及時(shí)排查新萌生的點(diǎn)蝕,并對(duì)點(diǎn)蝕深度進(jìn)行精確測(cè)量,當(dāng)點(diǎn)蝕深度超過不銹鋼層厚度時(shí)需要立即補(bǔ)焊修復(fù),確保復(fù)合板壓力容器的安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)