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液压仪表管光亮退火工艺影响测试
时间:2014-09-17 09:02 来源:未知 点击:

    中国海洋石油和天然气储备约占油气总储备量的22.9%和30%,但迄今为止,其中只有约12.3% 和10.9%的资源得到开发,远低于世界平均探明率为73%和60.5%的水平。过去几十年的经济快速发展,推动油气耗用量不断刷新记录,近海油气勘探业已成为关乎中国经济和社会稳定持续发展的十分迫切的问题。在第12个五年计划期间,中国政府准备耗资2900亿~3600亿元用于加大油气资源的开发力度,这无疑为包括液压仪表管在内的海上平台用不锈钢创造了巨大的市场机会。
    统计显示,中国目前有100多座海上平台,每年耗用不锈钢管材超过20万吨至25万吨。考虑到仪表管面临的工作环境独特而极具挑战,如空气潮湿、含盐量高、腐蚀介质多等,任何点蚀、污染、密封失效都会导致生产中断,造成巨大损失。因此,确保海上平台仪表管用钢材的清洁、精密及防腐蚀性能,是不锈钢管生产商和用户的首要目标。
    出于对液压系统钢材防腐蚀性和使用寿命的担忧,山特维克材料科技的工程师们潜心研究最终热处理对液压气缸和其它零部件的影响,研究结果为更高等级牌号钢材的开发提供了有益的指导。
    无论是在海洋、近海石油勘探还是其它领域,液压系统钢管的耐腐蚀性、机械和物理性能都引起广泛关注,特别是在人们不易接触到的含氯环境中,如卡扣、托架和连接件下方等地方,液压仪表管都容易遭到点蚀和腐蚀。
    在平台、井下或其它环境苛刻的地方,标准牌号的不锈钢已经不能满足要求,往往会因腐蚀而导致失效。壳牌、世伟洛克、英国石油公司和山特维克等公司在实验中发现,常规意义上有五年使用寿命的ASTM 316L优质管材,在这些地方有可能使用不了一年。
    通过进一步考察了含氯环境下最终热处理对不同牌号的不锈钢管的影响,结果表明,最终热处理方式的不同对钢管的表面质量影响极大,而表面粗糙都会引起腐蚀。反之,表面越光滑,均匀腐蚀的可能就越低。
    为了分析不同类型最终热处理和腐蚀介质的关系,山特维克的工程师们进行了一系列测试,分析比较光亮退火工艺对比于敞开式退火加酸洗工艺对钢管质量的影响。
 
    光亮退火和敞开式退火
    光亮退火是在真空或含氢的控制气氛下进行的固溶退火,目的是尽可能减少氧化,并保持不锈钢表面相对光亮。除了能获得光亮的表面外,经过这种退火处理的钢管表面形成的氧化层非常薄,钢管不需要经过酸洗,后者容易损害氧化层。因此,光亮退火不仅可以给钢管带来清洁的外表面、管内表的状态得到控制,还可以使表面更光滑,提高抗点蚀的能力。
    与之相对,敞开退火热处理是在开放的炉内进行的,大气中的氧会在热处理的材料上形成氧化皮。
    通常对不锈钢管的要求是,表面不能有氧化皮。一般会采用酸洗去除这种氧化皮,让钢管在酸性溶液中得到钝化处理。虽然酸洗工艺有助于去除管材表面结垢,但同时却提高了表面受到化学品侵蚀的风险。
    酸洗是在温度不超过40°C的稀硝酸和氢氟酸浴中进行,而且必须在不同的酸浴和水中经过多次浸渍,接着用水清洗掉酸洗浴中的残留,再用高压水对管子内外进行冲洗。
    必须非常重视冲洗这一步骤,否则管子容易遭到腐蚀。如果管子内径很小,清洗会很困难。酸洗工艺结束时,要用温水冲洗,以防止形成水渍,在管子上形成暗淡的银白色表面。
 
    佛罗里达州海洋环境测试
    山特维克进行了大量的测试,以研究固溶退火处理对液压仪表管的影响。本文中的实例,是在美国佛罗里达美国航空航天局肯尼迪航天中心腐蚀技术实验室(CTL),按照海洋环境进行的大气测试。之所以选择这个地方,是因为其气温高、紫外线水平、含盐量、湿度均非常典型。整个测试持续了12个月。
    工程师们比较了敞开式退火加酸洗和光亮退火加表面精整这两种采用不同路径生产的管子,通过比较处理后管材内、外表面的耐腐蚀性,评估最终热处理对管材表面质量的影响。
    由于山特维克材料科技只生产表1所列规格的光亮退火管材,因此,用光亮退火过的管子进行了敞开式退火加酸洗处理,即,在1,100 °C温度下进行敞开式退火,然后用水冷却。

 
    管材试样长度为250mm,测试架根据ASTM G-50 (1997) 金属大气腐蚀测试标准方法设计。用¼”聚乙二醇Delran杆穿过样管中心,将其安装到测试架上,如图1所示。每根Delran 杆都按照一定位置紧紧固定在铝制测试架上。
 
    测试架装完以后,被送到美国宇航局海滨腐蚀试验现场,以30°的角度面向海洋。
    测试现场距39A型发射架约1.5英里,在北纬28.59406度和西经80.58283度的大西洋上,深度约150英尺。试样被置于极具腐蚀性、高盐分、高含湿、高紫外线的佛罗里达海岸环境下。
    在大气环境下测试后,用光学显微镜对管材表面进行仔细分析。分析前,先用温水洗净表面,然后用纸巾擦拭,并在压缩空气下晾干。表面粗糙度Ra用表面干涉仪进行测定。
    在瑞典山特维克研发中心用光学显微镜分析的结果显示,两种管材在暴晒情况下都出现了褪色,尤其是管材底部。但是,退火加酸洗的管子比光亮退火管的腐蚀情况严重很多。如图2b所示,退火加酸洗管还出现了大量点蚀。
 
 
 
    再将每根管子分成两半,用光学显微镜检查管子内表面。通过比较图3a和3b,很容易看出,光亮退火样管(3a)的防腐蚀性能最好,在海洋环境下暴晒一年以后,内表面依然光洁明亮。
    相反,敞开式退火样管(3b)内部出现了腐蚀。图3b可以看出,敞开式退火管材内表面有小的点蚀。分析原因,应该是酸洗工艺残留下来的酸造成的。
 
    冶金工艺对防腐蚀性能的影响
    总体而言,暴晒测试表明,与敞开式退火加酸洗工艺相比,经光亮退火和表面精整处理的管材,在同样的测试环境下表现出了较好的抗腐蚀性能。
    山特维克将这一研究结果用到了更高等级的钢材开发中,寻求在液压系统中获得比标准牌号如316L更好的性能。为了更好地理解光亮退火加表面精整管材的优势,并找出普通牌号在液压仪表管的使用中表现不尽人意的原因,有必要进一步研究山特维克相关牌号钢材冶金过程中的特点。
    本文列举了两个比较能说明的牌号:奥氏体铬镍合金不锈钢Sandvik 3R60和高合金高强度双相不锈钢管Sandvik SAF 2507TM (UNS S32750) 。两种钢管都进行了加酸洗或光亮退火的固溶退火处理,实验室和现场测试的最终结果都优于标准牌号钢管。
    山特维克的冶金工艺开发,充分考虑了在温热的含氯海水环境、含酸、含氯介质等腐蚀性条件下,用于液压气缸的各个牌号钢管所需的高强度。事实证明,钢材的防腐蚀性与它们的机械强度是内在一致的,铬(Cr)含量对于提高防点蚀能力起到了至关重要的作用,同样,采用了钼(Mo)、氮(Ni)的合金钢材也显示了类似效果。
    图4a比较了Sandvik 3R60与标准316/316L钢管的合金含量水平,一般情况下,标准牌号的合金含量只能达到ASTM标准的最低要求。
 
     图4a显示,Sandvik 3R60的Cr、 Ni 和Mo含量高于其它品牌相同牌号。这些钢管的耐点蚀当量(PRE)也高于普通钢材牌号,具体见图4b。
Sandvik SAF 2507标准PRE值为43(最低42),远远超过其它非超级双相钢的25Cr 型双相不锈钢。作为超级双相不锈钢,Sandvik SAF 2507含有4.0% Mo,在性能可与含6.0% Mo的奥氏体不锈钢如254SMO和AL-6XN相媲美。
    这些特性在ASTM G48测试中得到了验证。ASTM G48测试是对不锈钢材料进行的最为苛刻的点蚀和间隙腐蚀测试。按照修正过的ASTM G48测试要求,将Sandvik SAF 2507放置于6%的FeCI3溶液下24小时,期间可能出现间隙腐蚀,也可能没有。当钢管发生点蚀,同时重量损失明显(>5 mg)时,中断测试。否则,温度提高5 °C (9 °F),继续该试样的实验。
    图5 中的条状图显示,Sandvik SAF 2507 和 6Mo+N钢材的耐点蚀性能相似,临界点蚀和间隙腐蚀温度(CPT 和CCT)也在所显示的范围内。但是,与这些含钼量为6.0% 的钢材相比,Sandvik SAF 2507优势明显。而且,这种钢材可以随时供货,初始使用成本较低。
 
 
    Sandvik 3R60的测试结果显示,由于其含碳量低,晶间腐蚀性能比ASTM 316强。另外,将Sandvik 3R60置于Strauss(12% 硫酸、 6% 硫酸酮)溶液中。结果显示于图6 所列TTC图表。从中可以看出,材料晶间腐蚀影响明显好于ASTM 316L。对于复杂的焊接工作而言,这也是一项优势。
    Sandvik 3R60也因为较高的钼含量而表现出类似于Sandvik 2507一样的优异耐腐蚀性能。Sandvik 3R60的钼含量为2.6%,耐腐蚀性能远比ASTM 304优异,同时也好于含钼量为2.1%的标准ASTM 316/316L钢材。
 
结论
    以上所作的各项测试均表明,光亮退火加表面精整处理的钢管在恶劣的含氯液压仪表管使用中,表现出了明显的优势。同时,在钢材中添加Cr、Ni和 Mo等成分也有助于改进材料性能,使之在机械性能、防腐蚀性能和使用寿命等各方面超出常规牌号ASTM 316L。
    这也是Sandvik SAF 2507作为液压仪表管用材,广泛用于热带海洋气候这种高腐蚀环境下的原因。Sandvik 3R60则可以用作替代材料,在ASTM 304和 304L不能满足耐腐蚀要求的工业行业,如液压系统、热交换器、冷凝器和管道等得到广泛应用。
    这两种牌号的钢材不管是在实验室,还是在现场,都达到了远高于ASTM标准的最高要求。
    目前,Sandvik 可供海上平台液压仪表管用的不锈钢牌号主要为 3R12、 3R60、 6R35、5R75、 Sandvik SAF 2507、2BK65 和SanicroTM 28。
    除了以上列出的优势外,这些牌号还具有更长的使用寿命、更低的日常使用成本和维护成本等特点。特别是在海洋平台或其它海工行业的恶劣大气环境,更表现出了胜出其它标准牌号的优势。
另外,特别值得一提的是,与传统ASTM 360L钢材相比,用Sandvik SAF 2507制成的管件最高可节约70%的材料重量,同时,奥氏体和马氏体成分的独特结合,又极好地保持了其原有的机械性能不受损害。
    硬度方面3R60制成的仪表管为80HRB,市场上钢材的普遍硬度为90HRB,低硬度可确保在不锈钢管圈卡口处相互衔接的牢固性和密封性。再者,外径为6~30mm的管子公差带较窄,只有±0.08mm,不仅方便施工,而且可有效防止气体和流体的渗漏,最大程度地保障了安全。
    Sandvik SAF 2507和 Sandvik 3R60是山特维克知识产权公司的注册商标。

来源:网络

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