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35CrMo钢在CO_2饱和溶液中的腐蚀行为研究

作　者: 鲁亮
导　师: 李春福
学　校: 西南石油大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 35CrMo钢 CO2腐蚀电化学AFM SSRT 电子结构计算
分类号: TG172.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文选用石油钻采工具常用的35CrMo钢经调质处理后,采用模拟油田采出水的CO2饱和溶液在静态高温高压釜中进行CO2分压为0.5～2MPa、温度为30-120℃、时间为10h～72h的腐蚀失重实验和腐蚀电化学实验研究,结合AFM、SEM、XRD等微观分析手段对35CrMo钢腐蚀速率、腐蚀产物腐蚀形貌以及局部腐蚀初始状态进行了系统的研究与分析,同时采用SSRT试验研究CO2分压对35CrMo钢应力腐蚀开裂(SCC)的影响以及采用余氏理论计算35CrMo钢发生CO2氢脆时的价电子改变,结果表明：(1)在实验规定的压力和温度范围内35CrMo钢的静态腐蚀速度随温度的升高先升高后下降,在90℃时腐蚀速度最大；随着CO2分压的增大而增大,在2MPa时腐蚀速度最大；由扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析可知：90℃时腐蚀产物的主要成分是FeCO3,Fe3C等；120℃时试样表面的腐蚀产物膜成分中除了开始出现的FeCO3和Fe3C以外,还有(Ca,Mg)CO3等复合的产物相共同形成了比较厚的腐蚀产物膜(2)在CO2分压为2MPa、温度为90℃的条件下进行35CrMo钢在溶液不同腐蚀时间(10h、16h、32h、48h、72h)的静态腐蚀实验和微观分析,结果表明：35CrMo钢的腐蚀速度随着反应时间的延长,腐蚀速度逐渐增大,到32h时腐蚀速度最大,随后腐蚀速度开始下降；通过相应时间点的SEM形貌观察可知：腐蚀初期试样表面逐渐形成了点蚀坑,加速了试样的腐蚀,随着时间的延长,试样表面开始逐渐形成了腐蚀产物膜,35CrMo钢的最初腐蚀是由局部腐蚀造成的；(3) 35CrMo钢在模拟油田采出水的CO2饱和溶液中的电化学AFM原位观察以及XRD分析表明：35CrMo钢在溶液中发生局部腐蚀突变的电位在-518mV--503mV之间,局部腐蚀类型为晶间腐蚀,这是由于Cr和C在试样表面扩散速度不一样使晶界成为贫Cr区,贫Cr区与基体形成了腐蚀原电池；(4) 35CrMo钢的CO2应力腐蚀开裂试验表明：CO2腐蚀对35CrMo钢的机械性能有一定的影响,CO2分压的增大促进了35CrMo钢脆性断裂倾向；(5)通过余氏理论计算35CrMo钢引入H前后的价电子结构参数及其变化可知：氢原子进入晶格之后形成了氢键,引起晶格的各向异性,从而导致材料各种性能发生了变化；合金元素的相互作用较之氢与其的作用更为强烈,合金元素起到了主导作用,使氢进入后引起的作用减小,使35CrMo钢氢致脆化倾向减弱,阻止了材料脆化的加剧。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-22
  1.1 前言  8-9
  1.2 国内外关于CO_2腐蚀的研究动态  9-14
    1.2.1 CO_2腐蚀机理  10-11
    1.2.2 CO_2腐蚀类型  11-12
    1.2.3 CO_2腐蚀影响因素  12
    1.2.4 CO_2腐蚀与防护措施  12-14
  1.3 选题的目的与意义  14-15
  1.4 论依据  15-20
    1.4.1 CO_2腐蚀理论  15
    1.4.2 金属的电化学腐蚀理论  15-16
    1.4.3 腐蚀速率的评定方法  16
    1.4.4 慢应变速率法(SSRT)研究应力腐蚀理论  16-18
    1.4.5 固体与分子经验电子理论  18-20
  1.5 研究方法及内容  20-22
第2章 35CrMo钢的CO_2腐蚀实验  22-32
  2.1 实验材料  22
  2.2 实验设备  22
  2.3 实验条件  22
  2.4 实验介质  22-23
  2.5 实验方法  23-24
  2.6 35CrMo钢的CO_2腐蚀失重结果与讨论  24-30
    2.6.1 35CrMo钢的CO_2腐蚀失重规律  24-27
    2.6.2 35CrMo钢的CO_2腐蚀产物组织结构分析  27-30
  本章小节  30-32
第3章 35CrMo钢CO_2腐蚀的电化学AFM原位观察研究  32-41
  3.1 引言  32
  3.2 电化学AFM原位实验  32-33
    3.2.1 试验设备  32
    3.2.2 试样的准备  32-33
    3.2.3 含CO_2条件下的腐蚀电化学实验介质  33
    3.2.4 电化学AFM原位实验步骤  33
  3.3 实验结果与讨论  33-39
    3.3.1 35CrMo钢的金相结构分析  33-34
    3.3.2 电化学极化曲线分析  34
    3.3.3 腐蚀过程中的AFM原位观察  34-37
    3.3.4 腐蚀过程中试样表面的XRD分析  37-39
  本章小节  39-41
第4章 CO_2对35CrMo钢应力腐蚀的影响研究  41-45
  4.1 引言  41
  4.2 实验材料  41
  4.3 实验设备  41-42
  4.4 实验条件  42
  4.5 实验方法  42
  4.6 SSRT试验结果与讨论  42-43
  4.7 断口形貌观察与分析  43-44
  本章小节  44-45
第5章 35CrMo钢CO_2腐蚀氢脆的价电子结构计算  45-74
  5.1 35CrMo钢化学成分与组织结构  45
  5.2 晶体结构参数确定  45-46
  5.3 价电子结构计算单元  46
    5.3.1 不含氢35CrMo钢的计算单元  46
    5.3.2 含氢35CrMo钢计算单元  46
  5.4 价电子结构计算模型  46-67
    5.4.1 a-Fe晶胞的计算模型  46-48
    5.4.2 Fe-H晶胞的计算模型  48-49
    5.4.3 Fe-M~x晶胞的计算模型  49-51
    5.4.4 Fe-M~x-H晶胞的计算模型  51-52
    5.4.5 Fe-C晶胞的计算模型  52-54
    5.4.6 Fe-C-H晶胞的计算模型  54-56
    5.4.7 Fe-C-M~x晶胞的计算模型  56-59
    5.4.8 Fe-C-M~x-H晶胞的计算模型  59-61
    5.4.9 Fe-C-M~x-M~y晶胞的计算模型  61-64
    5.4.10 Fe-C-M~x-M~y-H晶胞的计算模型  64-67
  5.5 计算结果及分析  67-72
    5.5.1 计算结果  67-68
    5.5.2 分析  68-72
  本章小节  72-74
第6章结论与展望  74-75
  6.1 结论  74
  6.2 展望  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-81
附录  81-84
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  84

35CrMo钢在CO_2饱和溶液中的腐蚀行为研究

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