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关于极地海洋平台钢材低温环境下腐蚀特性的研究 发布时间:2019-07-04   浏览量:2657次

1. 背景

 

随着地球变暖的发展,北极海的接近性有所提高,北极地区内埋藏的奥家投资持续增加。因此,在北极地区的残酷环境中,要求长期维持和运用极地海洋平台的正确设计技术。在材料角度上最优先考虑的是,在低温环境中的钢材的脆性,该钢材需要在设计温度下满足充分的韧性。


因此,国内外许多研究机构评估了在极地环境条件下钢材的机械特性,但目前还缺乏低温钢材腐蚀特性的相关信息。特别是,在考虑到海洋平台在运用期间很难进行更换或加固,初期要制定正确的防止腐蚀的设计。


通常在低温环境中的腐蚀现象,虽然溶解氧量在低温中会增加,但在海水或大气层都会减少。


另外,极地海洋平台中,由低的大气温度和高风速形成的表面着冰现象,会阻碍金属表面的氧气及水分的传达,从而降低腐蚀速度。但是部分研究表明,表面内盐分层的吸附,导致结冰延迟,在-5℃条件下也会出现腐蚀。部分研究表明,在着冰层内也存在电化学腐蚀的现象。


另外,在极地地区平均降水量低,不能实现盐分的自然洗涤,具有持续腐蚀的特性。而且,在飞沫带区域中,由于波浪和冬夏季之间着冰-海冰循环形成反复干湿,会造成严重的腐蚀现象。另外,由于极地地区频繁的移动性低气压,会对气象不规律性,海洋结构的钢材造成很大的负担。


因此,要为极地海洋结构的安全设计,制定有关安装、运用环境的调查,制定适当的腐蚀管理方案。但是应对东夏季反复的结冰—解冻,设计正确的电气系统是很难的技术,保护图章是低温的取成化、冰冲击的磨损和淘汰、温度变化的热膨胀等,很难维持长期内构成。


因此,在进行极地海洋平台的腐蚀设计时,需要事先了解钢材本身的腐蚀性。本研究中,要在低温环境中确认极地海洋平台钢材的腐蚀特性,分析主要腐蚀因素。


2. 试验方法

 

本次研究中,利用极地海洋平台设备用的高强度结构用钢材2种(屈服强度460 MPa,厚度100毫米,TMCP钢),对母材及焊接部位(FCAW,SAW),进行了下列表格中的浸渍腐蚀试验,电化学腐蚀试验,中性盐水喷雾试验(SST),复合加速腐蚀试验(CCT),并根据材料的焊接条件不同对腐蚀速度和耐蚀性进行比较分析。


有关腐蚀试验条件是以国际试验标准为基础,根据极地海洋设备的淹没区(submerged zone)及飞溅区(splash zone)的环境条件进行决定。对于焊接试板,包含FZ-HAZ-PM,在厚度方向1/4点处进行试板的取样及加工。


表1. 腐蚀试验项目,实验条件及适用标准

试验项目

试板种类

试验条件及确认事项

试验标准

浸渍腐蚀

- Bare Metal

- FCAW

- SAW

- 试验溶液 : 3.5% NaCl  Solution

溶液温度 : 2, 15, 30 ℃ (3个条件)

浸渍时间 : 10일 (240 小时)

- 试验前后重量减少,观察外观

根据重量减少程度确认腐蚀速度

ASTM G 31

电化学腐蚀试验

- Bare Metal

- FCAW

- SAW

- 试验溶液 : 3.5% NaCl  Solution

溶液温度 : 2, 15 ℃ (2个条件)

- Exposed Area : 1 ㎠

确认Tafel, Ecor及腐蚀速度

ISO 17475:2005

ASTM G 3

中性盐水喷雾试验

(SST)

- Bare Metal

- FCAW

- SAW

中性盐水喷雾 240小时 (10)

- 评估重量减少,确认腐蚀速度

确认焊接部位,热影响部位的腐蚀倾向

KS D 9502

复合加速腐蚀试验
 (CCT)

- Bare Metal

- FCAW

- SAW

- 1个循环条件 : 盐水喷雾-强制干燥-湿润-自然干燥-低温*

- 1个循环12个小时,总共20个循环需要240个小时 (10)

- 评估重量减少,确认腐蚀速度

确认焊接部位,热影响部位的腐蚀倾向

MS-600-66

遵守CCT-B条件实施复合循环腐蚀试验 (请参考MS-600-66 标准), 1个循环12个小时,

共计20个循环 (10)

循环条件 : 盐水喷雾(35℃, 95% R.H.) 4小时 → 强制干燥(70℃, 30%  R.H.) 2小时 → 湿润 (50℃, 95% R.H.) 2小时 → 自然干燥(25℃, 60%  R.H.) 1.5小时 → 低温(-40℃) 2.5 小时

 

 

 

3. 试验结果

 

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图1. 2种极地海洋平台设备用的钢材(Sample A, B)进行浸渍腐蚀试验,电化学腐蚀试验的结果数据

 

为了在极地海洋设备的淹没区环境下评价钢材腐蚀影响性,进行了浸渍试验和电化学腐蚀试验。特别是与母材及焊接材料之间的腐蚀差距相比较,随着海水温度的降低,想观察钢材的腐蚀变化。


图1显示了利用2种钢材及焊接材料的浸渍和电化学腐蚀试验结果。在浸渍试验(封闭条件)中,腐蚀速度都在0.035mm/yr以下,还算良好,母材和焊接材料之间腐蚀速度的差距较少。


试验结果显示,海水温度越低,腐蚀速度就会下降。但是电化学分极试验中没有出现因海水温度而腐蚀速度减少的倾向性。这是溶解氧量的影响。据推测,海水温度较低的条件下,溶解氧量较高,可维持腐蚀速度。这与流速也有关,如果流速高的话,可以迅速供应海水能反应的氧气,腐蚀速度就会提高。因此,在存在一定流速的实际极地海水环境中,应考虑到极地水中结构物的腐蚀性与温带及亚热带地区海洋结构相比,腐蚀速度不会特别下降。

 

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图1. 2种极地海洋平台设备用的钢材(Sample A, B)进行中性盐水喷雾试验,复合加速腐蚀试验的结果数据

 

图2中显示了对两种钢材的SST及CCT的试验结果。该实验是模拟海洋结构物内的飞溅区,确认钢材暴露在盐水中,重复干湿现象条件下的腐蚀变化。


试验结果显示,在反复湿润/干燥/温度变化的条件下,确认了发生很多腐蚀。尤其是样品A钢材的情况,确认了根据母材和焊接材料都在-40℃的温度变化下,发生快速腐蚀。焊接材料的情况是,与母材相比腐蚀进行得更好,部分试板(样品A)观察到了母材部位的腐蚀性发生逆转现象。该现象是根据与母材的焊接部位相比,具有相对较高的热膨胀率导致的。


4. 考察

 

钢材的腐蚀性是根据暴露环境中多种因素决定的,在极地海洋平台的情况下,温度变化、干湿条件、盐分残留、结冰-解冻、溶解氧量等多种形式进行腐蚀。另外,钢材内部的热膨胀变化、金相组织变化、化学成分等因素会出现不同程度的腐蚀性。因此,首先要分析有关环境及钢材的化学成分、金相结构的复合关系。


5. 结论

 

本次研究中,对两种极地海洋平台用钢材,通过浸渍腐蚀试验,电化学腐蚀试验,中性盐水喷雾试验(SST),复合加速腐蚀试验(CCT)确认了母材及焊接材料的腐蚀性。主要结果如下。


(1) 极地试验结果,在低温海水环境中腐蚀性不会明显减少。溶解氧量充足时,低温中的腐蚀性不会特别减少。


(2)在飞溅区发生相当多的腐蚀。一般与母材相比,焊接部的腐蚀会进行得更好,但由于冬季夏季温度变化而存在一定的热胀率差距时,母材部的腐蚀性会加快。


极地海洋设备设立后,考虑到结构钢材的更换和修理比较困难,需要进行正确的腐蚀管理设计。因此,需要调查使用环境条件(温度变化、流速、降水量、结冰/解冻程度等),准确计算出腐蚀速度。


6. 期待效果

 

本次研究是为了确保极地海洋结构长期的耐久性和安全性,从腐蚀性观点上提出重要检查要素,通过腐蚀试验数据分析并制定合适的KR船级社规范。


7. 参考文献

 

1. Petroleum and natural gas industries-Arctic operations-Materialrequirements for arctic operations, ISO/TS 35105, 2018, 4.


2. A. M. Horn and M. Hauge, Twenty-first Int. Offshore Polar Eng.Conf., 2011.


3. Melchers R.E., Effect of temperature on the marine immersioncorrosion of carbon steels, Corrosion, 2002, 58, p.768.


4. Mikhailov A.A., Strekalov P.V., Panchenko Y.M., Atmosphericcorrosion of metals in regions of cold and extremely cold climate (a review),Prot. Met., 2008, 44, p.644.


5. Barton K., Bartonova S., Beranek E., Die Kinetik des Rostensvon Eisen in der Atmosph?re, Werkstoffe und Korrosion, 1974, 25, p.659.


6. Brass G.W., Freezing point depression by common salts:implications for corrosion in cold climates. In: Perrigo L.D., Byars H.G.,Divine, J.R., Cold climate corrosion: special topics. NACE International, 1999,p.29.


7. Gonza?lez J.A., Control de la corrosio?n.Estudio y medida porte?cnicas electroqu??micas. CSIC, Madrid, 1989.


8. Y. Y. Choi and M. H. Kim, Corrosionbehaviour of welded low-carbon steel in the Arctic marine environment, RSCAdv., 2018, 8, 30155


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