CC BY
16КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ В СЕРНОЙ КИСЛОТЕ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ю.И. Лопухов, Б.А. Арстанов
Разработка и освоение нефтегазовых месторождений с сернистосодержащими нефтепродуктами требует создания комплекса технологического оборудования с коррозионно-стойкими конструкционными материалами. Одной из ответственных составляющих этого оборудования является трубопроводная арматура, уплотнительные поверхности затвора, которой наплавляют хромистыми и хро-моникелевыми сплавами.
Из применяемых наплавочных материалов в СНГ достаточно хорошей износостойкостью уплотнительных поверхностей арматуры, работающей при температуре до 5400С и удельных давлениях до 60МПа обладает хро-моникелькремнистая сталь 10Х17Н8С5Г2Т, а для арматуры на рабочие параметры соответственно до 5800С и до 100 МПа - хромони-келькремнистая сталь 10Х20Н9С5М2РГТ.
Механизированную наплавку этих сталей производят порошковыми проволоками ПП-АН133 и ПП-АН157 в аргоне и порошковой лентой ПЛ-АН150 под флюсом.
Все возрастающий интерес исследова-телей-наплавщиков привлекает использование азота взамен никеля в наплавленном металле как экономичного аустенизатора и одновременно как упрочняющего элемента при соответствующей системе легирования, а также его влияния на коррозионные свойства наплавленного металла.
Наиболее экономичным и технологичным решением легирования ^-М^ наплавленного металла азотом является использование его в качестве защитного газа или в смеси с углекислым газом в процессе наплавки.
Влияние воздействия серной кислоты на коррозионную стойкость наплавленного металла изучали на цилиндрических образцах, изготовленных из поперечных срезов многослойной наплавки сплавов 10Х17Н9С5Г2Т и 10Х20Н9СМ2РГТ.
Наплавку проводили в медной изложнице соответственно порошковыми проволоками ПП-АН133 и ПП-АН157 0 2,6 мм в различных защитных газах и газовых смесях: Ar, ^2, З0%c02+70%N2, 50%CO2+50%N2, 70%CO2+30%N2 на режиме: Jсв=200...222А.
Ug=26...28B, VH=17 м/час. Расход газа 10...12л/мин.
Оценку микроструктуры к общей коррозии исследовали растровой микроскопией. Фазовый состав металла определяли на рентгеновском дифрактометре Дрон-3.
Скорость коррозии оценивали в г/м2 сут. Коррозионную стойкость исследовали в растворах (% масс.)) серной кислоты концентрации 10, 20, 40.
Для количественного определения элементов перешедших в раствор без принудительной анодной поляризации в единицу времени был использован чувствительный метод атомно-абсорбционной спектроскопии с использованием спектрофотометра «Perkin - Elmer 400»
Распределение элементов от поверхности образца после коррозионных испытаний на глубину до 280ангстрем, изучали профилирующей ОЖЕ - спектроскопией ОЖЕ -спектрометром LAS - 2000 фирмы «Riber». Содержание азота в наплавленном металле определяли на приборе TN-14 фирмы «Ле-ко».
Исследованиями установлено (таблица 1), что состав защитной атмосферы оказывает существенное влияние на содержание азота и величину Y-фазы в наплавленном металле.
Таблица 1 - Содержание азота и величины Y-фазы в наплавленном металле
Состав защитной атмосферы, % 10Х17Н8С5Г2Т 10Х20Н9С5М2РГТ
Содержание азота (% мас) Y -фаза, % Содержание азота (%мас) Y-фаза, %
Ar 0,007 33 0,009 32
CO2 0,042 39 0,048 37
N2 0,129 59 0,102 45
30N2+70CO2 0,095 48 0,110 49
50N2+50CO2 0,133 55 0,118 50
70N2+30CO2 0,142 72 0,129 52
С увеличением содержания азота в защитной атмосфере возрастает его содержание в наплавленном металле. А присутствие углекислого газа в смеси содействует лучшему поглощению азота наплавленным металлом.
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ В СЕРНОЙ КИСЛОТЕ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ
НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Следует отметить также, что повышение концентрации азота в смеси приводит к росту объемной доли аустенита за счет снижения ферритной составляющей.
В таблице 2 представлены результаты коррозионных испытаний сплавов сернокислых средах на общую коррозию, которые свидетельствуют о коррозионной стойкости сплавов в зависимости от состава защитной атмосферы при наплавке порошковыми проволоками.
Таблица 2 - Скорость коррозии г/м2сут в сернокислых средах (об.%) наплавленного металла в зависимости от состава защитной среды при наплавке
Состав защитной атмосферы, % 10Х17Н8С5Г2Т | 10Х20Н9С5МГРТ
Концентрация И2304, %
10 20 40 10 20 40
100С02 90 142 180 72 84 91
100Аг 50,3 226,1 135 7,8 9,2 93,2
30Ы2+70С02 16,4 71,5 180 24,4 66,5 182
50Ы2+50С02 4,8 1 1,3 3,5 2 12,9
70Ы2+30С02 10,2 63,1 107 7,6 5,1 87,2
100Ы2 67,4 112,4 0,7 5,5 113
Наименьшая скорость коррозии зарегистрирована в 10% растворе серной кислоты. С увеличением концентрации кислоты скорость коррозии возрастает.
Лучшие результаты по коррозионной стойкости принадлежат сплаву
10Х19Н9С5М2РГТ. Однако сравнительные данные двух сплавов свидетельствуют об устойчивой тенденции снижения скорости коррозии образцов, наплавленных в азотсодержащих атмосферах. Наиболее низкая скорость коррозии принадлежит сплавам, наплавленным в защитных газах составов 50%1\12+50%С02, 70%1\12+30%С02, что подтверждается результатами растровой микроскопии (рисунок 1).
Электрохимические характеристики наплавленных материалов при испытании в сернокислых электролитах, в частности, потенциалы и токи пассивации, протяженность пассивной области представлена на рисунке 2.
Из общего семейства \ - ср кривых, худшие значения потенциалов пассивации и большие токи пассивации имеют образцы, наплавленные в аргоне. Пик тока, означающий начало пассивационных процессов, смещен на этих образцах в анодную сторону.
Рисунок 1 - Микроструктура поверхности образцов сплава 10Х17Н8С5Г2Т после испытаний на общую коррозию в 10% серной кислоте ( х 580) а) наплавка в среде азота; б) наплавка в смеси 70%Ы2 +30%СО2.
Рисунок 2 - Потенциодинамические поляризационные кривые растворения сплавов, наплавленных в различных защитных средах в 10% растворе серной кислоты а) 10Х20Н9С5М2РГТ; б) 10Х17Н8С5Г2Т 1 - Аг; 2 - 70%1\12+30%СО2; 3 - 50%1\12 +50%СО2; 4 - 30%1\12 +70%СО2; 5 - Ы2
Отчетливо выраженная пассивная область характерна для образцов, наплавленных в чистом азоте и азотсодержащих атмосферах. Таким образом, общий характер зависимостей свидетельствует о взаимности их электрохимической пассивации и зависит от металла, наплавленного в исследуемых газах.
Ю.И. ЛОПУХОВ, Б.А. АРСТАНОВ
Атомно-абсорбционным анализом (рисунок 3) установлено, что до наступления потенциала пассивации (до перегиба кривых) для сплава 10Х19Н9С5М2РГТ кремний и особенно никель активно растворяются. Железо пассивируется частично, а хром и молибден оказываются пассивными. Следует отметить, что молибдена, в анализируемом электролите, обнаружить не удалось.
Для получения данных о распределении элементов на глубине от 0 до 280ангстрем применяли метод Оже - спектроскопии с стравливанием поверхности бомбардировкой ионами аргона со скоростью 0,2 мммин. Концентрационное распределение элементов, найденное по абсолютной интенсивности спектров Оже-электронов для образцов, наплавленных проволокой ПП-АН157 в смеси 70%N2+З0%c02 после коррозионных испытаний в серной кислоте 10% концентрации представлено на рисунке 4.
Основной скачок концентрации легирующих элементов, отличимый от исходного химического состава наплавок, происходит в поверхностном слое толщиной 80-120 ангстрем. Оксиды (см.линию распределения кислорода) при этом концентрируются в слое 25-30 ангстрем. Наиболее обогащенные кислородом оксиды хрома, железа, молибдена (по типу кислородной линии) расположены в слое 1,5-3 ангстрема. Карбиды также сконцентрированы у самой границы поверхностной пленки с атмосферой, но распределение их происходит с увеличением толщины пленки более плавно.
Азот имеет выход на поверхность, причем общее его содержание в слое 200-280 ангстрем намного превышает его содержание химическим составом. Пик возрастания количества азота по глубине совпадает с пиком уменьшения кислорода. Это происходит в диапазоне 20-50 ангстрем. Можно предположить, что азот частично замещает кислород в оксидах, либо оксидная фаза начинает обогащаться нитридной. В поверхностном слое 200 ангстрем никеля содержится меньше 8% с сокращением его в слое 0-30 ангстрем. Это снижение никеля еще раз подтверждает, что никель в сернисто-кислых средах лишь косвенно способствует пассивации.
Нитриды также способны концентрироваться, так как они устойчивы к растворению в области потенциалов активного растворения и в пассивной области потенциалов.
Рисунок 3 - Содержание в растворе 10% серной кислоты продуктов коррозии (мг/л) сплава 10Х19Н9С5М2РГТ (защитная среда 70% N +30% ^2)
Рисунок 4 - Распределение легирующих элементов в поверхностном слое наплавленного металла 10Х19Н9С5М2РГТ по данным Оже-спектроскопии после испытания в 10% растворе серной кислоты. Защитная среда 70%^+30%СО2.
Восточно-Казахстанский государственный технический университет
