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2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕行為

2022-08-23 15:09:57 作者：胡麗華，張玉楠等來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

近年來，隨著我國(guó)海洋油氣田開發(fā)的快速發(fā)展，不銹鋼因其優(yōu)異的耐蝕性和良好的力學(xué)性能在水下生產(chǎn)設(shè)備和輸油管道中得到了廣泛應(yīng)用。復(fù)雜的海洋環(huán)境會(huì)導(dǎo)致不銹鋼和耐蝕鋼發(fā)生縫隙腐蝕、點(diǎn)蝕和微生物腐蝕。

316L不銹鋼具有良好的耐蝕性，在海洋設(shè)備中應(yīng)用較多。然而，316L不銹鋼在苛刻的海洋環(huán)境中仍無法避免會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕開裂，因此，需要使用耐蝕性更加優(yōu)異的不銹鋼材料。2507雙相不銹鋼中鉬、鉻和氮元素含量較高，在海洋設(shè)備中的應(yīng)用前景廣闊。

目前，關(guān)于2507雙相不銹鋼在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境中的力學(xué)性能、耐蝕性和耐微生物腐蝕性能等的研究很多，對(duì)于2507雙相不銹鋼在實(shí)際海洋環(huán)境中的耐蝕性研究鮮有報(bào)道。

為此，中海油研究總院有限責(zé)任公司和北京科技大學(xué)的研究人員通過實(shí)海浸泡腐蝕試驗(yàn)，研究了2507雙相不銹鋼管道在南海深水環(huán)境中的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕行為，以期為海洋油氣工業(yè)深水油氣管道選材提供設(shè)計(jì)支撐和理論指導(dǎo)。

1 細(xì)菌培養(yǎng)

試驗(yàn)方法

利用絕跡稀釋法，從水深170米處采集南海深水，對(duì)硫酸鹽還原菌（SRB）、鐵氧化菌（IOB）和錳氧化菌（MOB）進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)試驗(yàn)。

根據(jù)ASTM D4412-2015《水和水沉積物中硫酸鹽還原菌的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，在10 ℃下對(duì)SRB和IOB進(jìn)行恒溫培養(yǎng)，培養(yǎng)時(shí)間分別為17天和24天，每種細(xì)菌設(shè)置3組平行樣品，每組樣品進(jìn)行梯度稀釋7倍法。

MOB培養(yǎng)試驗(yàn)是將培養(yǎng)基置于高壓滅菌器中，在121 ℃下滅菌15分鐘后，用無菌注射器吸取5 mL原菌液（取液時(shí)應(yīng)將容器稍微傾斜，容器口移至酒精燈火焰區(qū)），然后將稀釋后的水樣移入兩個(gè)裝有MOB培養(yǎng)基的錐形燒瓶中，最后將兩個(gè)錐形燒瓶置于室溫下的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)17天和24天。細(xì)菌培養(yǎng)結(jié)束后，取上清液，滴入LBB顯色劑，如果溶液顏色變?yōu)樗{(lán)色，則說明存在MOB，否則不存在。

試驗(yàn)結(jié)果

(a) SRB，17天 (b) SRB，24天

(e) MOB，17天 (f) MOB，24天

圖1 不同時(shí)間條件下南海深水環(huán)境中細(xì)菌培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可見：在南海深水中培養(yǎng)17天和24天后，SRB測(cè)試瓶沒有變黑，說明南海深水中沒有SRB菌群；IOB測(cè)試瓶第一組平行樣品中第3號(hào)瓶出現(xiàn)了褐色退色和褐色沉淀，這表明1 L南海深水中大約有400個(gè)IOB；MOB測(cè)試瓶在加入LBB顯色劑后未變?yōu)樗{(lán)色，說明南海深水中無MOB菌群。

2 實(shí)海浸泡腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)方法

實(shí)海浸泡腐蝕試驗(yàn)所用試樣包括點(diǎn)蝕試樣、縫隙腐蝕試樣和電化學(xué)測(cè)試試樣。點(diǎn)蝕試樣尺寸為70 mm×30 mm×5 mm。縫隙腐蝕試樣的制備參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM G48-2011《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐點(diǎn)腐蝕和抗縫隙腐蝕性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》。電化學(xué)測(cè)試試樣的尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，試樣工作面積為1 cm2，非工作面用環(huán)氧樹脂封裝。試驗(yàn)前，將所有試樣打磨、拋光、清洗和吹干后，放入干燥皿中待用。

為了模擬海底油氣管道在鋪設(shè)過程中可能發(fā)生的海水滯留環(huán)境，設(shè)計(jì)了實(shí)海深水浸泡反應(yīng)釜裝置，如圖2所示。將點(diǎn)蝕試樣、縫隙腐蝕試樣和電化學(xué)測(cè)試試樣懸掛在釜內(nèi)的PTFE試樣架上，然后將反應(yīng)釜沉入海水目標(biāo)位置（水深170米），通過引爆預(yù)先設(shè)定的爆破閥，將海水引入反應(yīng)釜中。

圖2 實(shí)海深水浸泡反應(yīng)釜裝置示意

腐蝕形貌觀察和成分分析

實(shí)海浸泡腐蝕試驗(yàn)后，將試樣進(jìn)行去離子水清洗、丙酮脫水和冷風(fēng)吹干后，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀對(duì)試樣表面的腐蝕產(chǎn)物形貌和成分進(jìn)行分析。參考ASTM G1-2003《腐蝕試樣的制備、清潔處理和評(píng)定用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，將試樣表面的腐蝕產(chǎn)物去除，利用基于垂直掃描干涉測(cè)量（VSI）的光學(xué)測(cè)斜儀，對(duì)試樣表面的局部腐蝕形態(tài)進(jìn)行觀察。

圖3 2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中浸泡5天（左）和7天（右）后的表面形貌

由圖3可見，浸泡初期（5天和7天），2507雙相不銹鋼表面無明顯異常。

圖4 2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中浸泡17天后的表面形貌和能譜分析結(jié)果

由圖4可見：浸泡17天后，2507雙相不銹鋼表面局部區(qū)域有腐蝕產(chǎn)物生成；相比于未腐蝕的區(qū)域A，區(qū)域B表面腐蝕產(chǎn)物中氧、氯和硫元素含量較高，這說明在腐蝕產(chǎn)物處可能存在微生物附著及氯元素富集，受微生物作用及Cl-對(duì)鈍化膜攻擊效應(yīng)的影響，2507雙相不銹鋼表面鈍化膜可能發(fā)生破損，從而誘發(fā)點(diǎn)蝕。

圖5 2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中浸泡120天后的表面形貌和三維形貌

由圖5可見，浸泡120天后，2507雙相不銹鋼表面形成了點(diǎn)蝕坑，其表面點(diǎn)蝕坑深度約為11 μm，換算成的腐蝕速率約為0.03 mm/a，表明在南海深水環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間浸泡后，2507雙相不銹鋼的點(diǎn)蝕敏感性有所升高。

圖6 2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中浸泡592天后的表面形貌和點(diǎn)蝕坑截面尺寸

由圖6可見，浸泡592天后，2507雙相不銹鋼表面點(diǎn)蝕坑逐漸擴(kuò)展，其深度約為15 μm。

電化學(xué)測(cè)試

電化學(xué)測(cè)試采用傳統(tǒng)的三電極體系，鉑電極為輔助電極，Ag/AgCl電極為參比電極，實(shí)海浸泡不同時(shí)間后的電化學(xué)測(cè)試試樣為工作電極。測(cè)試溶液為原位獲取的南海海水溶液，在Gamry 600電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。所有測(cè)試均在室溫環(huán)境中進(jìn)行，動(dòng)電位極化曲線測(cè)試電位范圍為-500~500 mV（相對(duì)于自腐蝕電位），掃描速率為0.5 mV/s。

圖7 2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中浸泡不同時(shí)間后的動(dòng)電位極化曲線

由圖7可見：隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，2507雙相不銹鋼的自腐蝕電位逐漸正移，維鈍電流密度逐漸增大，表明其耐點(diǎn)蝕性能逐漸下降；浸泡506天和592天后，2507雙相不銹鋼仍具有較高的點(diǎn)蝕電位與保護(hù)電位，原因可能是2507雙相不銹鋼中鉻、鎳和鉬元素含量較高；浸泡592天后，2507雙相不銹鋼的極化曲線仍存在穩(wěn)定的鈍化區(qū)，這說明2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中具有良好的耐點(diǎn)蝕性能，這也是圖5和圖6中2507雙相不銹鋼在浸泡120天和592天后，其表面點(diǎn)蝕坑深度沒有明顯增大的原因。

縫隙腐蝕行為

(a) 5天 (b) 7天 (c) 17天 (d) 120天

圖8 2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中浸泡不同時(shí)間后縫隙區(qū)域的宏觀形貌

(a) 5天 (b) 7天

圖9 2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中浸泡不同時(shí)間后縫隙區(qū)域的微觀形貌

由圖8和圖9可見：浸泡5天、7天、17天后，2507雙相不銹鋼表面的腐蝕產(chǎn)物較少，其表面劃痕仍清晰可見；浸泡120天后，2507雙相不銹鋼表面形成了一層較薄的淺褐色腐蝕產(chǎn)物，且縫隙區(qū)域有明顯的點(diǎn)蝕傾向。

(a) 宏觀形貌 (b) 三維形貌

圖10 2507雙相不銹鋼在南海深水環(huán)境中浸泡592天后的宏觀形貌、三維形貌和腐蝕坑截面高度

由圖10a可見，浸泡592天后，2507雙相不銹鋼表面縫隙區(qū)域存在明顯的沿縫隙方向的條狀腐蝕痕跡。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行三維形貌觀察，如圖10b所示，縫隙區(qū)域有明顯的腐蝕坑。對(duì)腐蝕坑截面高度進(jìn)行掃描測(cè)試，如圖10c所示，該腐蝕坑的深度約為7 μm，經(jīng)換算，其局部腐蝕速率約為0.004 mm/a，表明2507雙相不銹鋼縫隙腐蝕敏感性相對(duì)較低。

結(jié)論

(1) 南海深水中無SRB和MOB菌群，1升南海深水中大約有400個(gè)IOB。

(2) 在南海深水環(huán)境中，浸泡初期（17天），2507雙相不銹鋼表面開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，且點(diǎn)蝕坑處氧、氯和硫元素含量較高。浸泡中后期（120天和592天），2507雙相不銹鋼表面存在點(diǎn)蝕坑，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，點(diǎn)蝕坑深度無明顯增加，這與長(zhǎng)期浸泡后其極化曲線仍存在穩(wěn)定的鈍化區(qū)間有關(guān)。浸泡506天和592天后，2507雙相不銹鋼縫隙區(qū)域有腐蝕坑，蝕坑深度約為7 μm，具有一定的縫隙腐蝕傾向。

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