油气钢管热浸共渗铝锌组织演变及耐蚀性研究

Hot-dip Zincaluminizing can be combined with the advantages of both aluminum and zinc to improve the erosion resistance of H2S for steel pipes. Steel pipes can obtain better Zincaluminizing layer to resist H2S corrosion by the multicomponent-alumetizing with Cr,Mo and Cu. They can be widely used in the oil and natural gas industry and other high-sulfur environment. But there is no research of infiltration layer formation and growth law for the multicomponent-alumetizing till now, and the thermodynamic investigation about their interface reaction is also scarce. This work will experimentally determine the phase equilibria of the Fe-Al-M(M=Cr,Mo) ternay systems and the Fe-Al-Zn-M(M=Cr,Mo,Cu) quaternary systems, and get description the related thermodynamic model of the system parameters by thermodynamic rate. Then, these systems will be thermodynamically assessed, and get thermodynamic models to describe them. The experimental researchs of hot-dip and multicomponent-alumetizing at the same time. According to the microstructure analysis of Zincaluminizing layer, combining with phase relations for these alloy systems, the diffusion channel theoretical model will be established. It is used to analyze the quantitative relationship of alloy composition and process parameters controlling diffusion penetrating layer formation and growth. Compareing resistance H2S corrosion property of different multicomponent-alumetizing in the environment of oil and gas pipelines. these investigations are very important for the development of steel pipes multicomponent-alumetizing production. There are very important significances for promoting the development of our petroleum industry.

热浸共渗铝锌可以结合铝锌二者的优势提高钢管的耐H2S蚀性能。Cr、Mo和Cu多元素热浸共渗铝锌钢管可获得耐H2S腐蚀性更佳的渗层，能广泛应用于石油、天然气开采等高硫环境。但目前还没有对多元素热浸共渗铝锌渗层形成和生长规律的研究，缺乏对其界面反应的热力学的研究。本课题采用实验方法测定Fe-Al-M（M=Cr,Mo）三元系和Fe-Al-Zn-M（M=Cr,Mo,Cu）四元系相关系，并通过热力学评估获得描述相关体系的热力学模型参数。同时进行多元素热浸共渗试验，根据热浸、扩散共渗试验组织分析，结合建立的合金体系相平衡关系，建立扩散通道理论模型，分析合金成分和共渗工艺对热浸、扩散渗层组织形成和演变规律的定量关系，比较不同渗层组织在油气管道环境下耐H2S腐蚀性能，为制定钢管多元素共渗生产工艺奠定坚实的基础，对促进我国石油工业的发展具有十分重要意义。

为理解多元铝锌共渗中合金元素对热浸共渗中钢基间界面反应以及渗层生长动力学的影响，对Al-Zn-Cr、Al-Zn-Ni、Fe–Al-Zn-La、Fe-Al-Zn-Ce相关体系的相关系进行了实验测定，对部分体系进行了热力学计算。.在An-Zn-Zr、Al-Zn-La、Al-Zn-Ce三元体系和Fe-Al-Zn-Si四元体系中均存在三元相。三元相的形成对热浸镀渗铝锌组织的生长影响较大。如热浸镀铝锌时添加一定量的硅，三元化合物τ5相取代FeAl3相成为与液锌平衡的化合物，此时在热浸镀共渗铝锌过程中，钢基界面反应形成稳定的扩散通道，凝固自由层/τ5/FeAl3/Fe2Al5/α-Fe。连续致密的合金层能有效的抑制Al、Zn原子朝铁基体扩散，合金层的快速生长得到有效控制，可以得到致密稳定的热浸镀层。而Al-Zn-Ni、Fe-Zn-La、Fe-Zn-Ce等体系中均没有发现三元相。采用CALPHAD技术计算了Fe-Zn-La和Fe-Zn-Ce体系，热力学计算结果和实验结果吻合良好。.研究了La对热浸镀铝锌的影响，La在锌铝熔池中的添加可有效抑制中间合金层的快速生长，降低Fe2Al5相层的生长厚度，同时促进τ5相层的生长。实验结果显示在熔池中稀土La的添加量为0.5wt.%时对合金层的抑制作用最佳。热浸镀共渗Al-Ni试验中，钢板分别浸没到熔融的Al-1Ni、Al-3Ni熔池所形成的镀层经过扩散退火后所得到的渗层组织结构与钢板浸没到熔融Al-5Ni熔池所形成的镀层组织结构是一致的。热浸镀Al-5Ni样品在扩散退火后形成了柯肯达尔（Kirkendall）孔洞。孔洞主要分布在外层Al5Fe2层区域中和内层的AlFe合金层中。随着扩散时间的延长，孔洞不断生长变大；降低扩散温度，能够延迟孔洞的出现时间，温度过高，原子扩散速率过快，容易导致孔洞迅速增加，聚集到一起容易导致渗层出现裂缝而剥落，以此研究为基础开发了热浸镀Al-Ni合金渗层。同时进行了机械能助Al-Zn-Cr共渗和Al-Zn-Mg共渗研究，并开发了Al-Cr-Mo合金渗层。.设计了含硫原油腐蚀试验箱，并采用该试验箱进行了含硫原油环境下X65管钢的腐蚀行为和X80钢管道的顶部腐蚀行为研究。