海洋环境下不锈钢的腐蚀与磨损性能研究
发布时间：2021-06-20 11:05
随着经济和技术的快速发展,人们对于海洋的依赖越来越大,对于海洋资源的探索和采集的投入也越来越多。先进的海洋设备可以极大的提高海洋资源开采和利用的效率,但海洋设备的腐蚀与磨损以及其复杂的交互作用往往会影响海洋装备的可靠性和工作效率,因此,对于海洋材料在载荷、流体和腐蚀条件下的耦合摩擦学行为的研究极具实际意义。本文以不锈钢金属的钝化膜为切入点,系统的研究了不锈钢钝化膜的生长情况,并以此为基础,讨论海洋常见的不锈钢金属316L和304的腐蚀与磨损的交互作用。本文首先对316L不锈钢和304不锈钢在不同恒电位下进行了腐蚀电流、表面阻抗等电化学测试,两种材料表现出极为相似的电化学性能,当加载的恒电位在不锈钢的钝化区间时,随着电压的增大,极化电阻增大,腐蚀电流减小,当加载的恒电位超过破顿化电位时,极化电阻会下降,腐蚀电流则大幅度增加。接着,从微观层面上印证了电化学参数的变化,通过扫描电镜（SEM）等手段观察表面形貌,结果表明,316L和304不锈钢表面存在一层薄薄的钝化膜,且钝化膜会随着电位的增加呈现一种生长的趋势,钝化膜由稀疏逐渐变得致密,当电位超过其破钝化电位时,材料表面会发生点蚀。最后,从化...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钝化膜成型的去质子过程和结合水被氯离子取代的过程：（a）钝化膜形成时的去质子过程；（b）钝化膜破裂结合水被氯离子取代的过程
3图1-1钝化膜成型的去质子过程和结合水被氯离子取代的过程：（a）钝化膜形成时的去质子过程；（b）钝化膜破裂结合水被氯离子取代的过程D.G.Li等人[12]发现不锈钢表面的钝化膜主要由内膜层Cr的氧化物和外膜层Fe的氧化物组成。内膜层的费米能高于外膜层，导致内膜层的能带向下弯曲而外膜层的能带向上弯曲。同时，外膜层的费米能低于溶液介质，导致外膜层的能带向上弯曲。能带弯曲导致正电荷移动到外膜层和溶液介质之间。因此负电荷积聚在斯特恩层（吸附层），能带弯曲越高，越多的负电荷积聚在斯特恩层。溶液中存在大量带有负电荷的微颗粒，微气泡破裂时产生的微射流带动微颗粒以较高的速度冲击材料表面。由于斯特恩层积聚了负电荷，当带有负电荷的微颗粒接近表面膜时，产生了同极相斥的效应，其排斥性足以使得微颗粒远离表面膜，达到保护基材的效果。不锈钢中Mo的加入带来更高的能带弯曲，在外膜层和溶液介质之间积聚了更多的负电荷，对微射流具有更强的排斥性。其示意图间图1-2。图1-2不锈钢无源膜在水溶液中的能量弯曲示意图国内学者也对不锈钢表面薄膜的特性进行了深入研究，林凡等人[13]通过XPS（X射线光电子能谱分析）和EDS(能谱分析)测试了高铬镍不锈钢的表面钝
5颗粒侵蚀行为影响进行了较为详尽的解释，并建立一个适用于所有冲击角的综合理论模型，结合塑性变形导致唇形成的局部化概念，以及适用于所有冲击角和所有侵蚀颗粒形状的广义能量吸收关系。SteenkisteDV等人[21]通过接触体的数量将锚链磨损分为了一体磨损、二体磨损和三体磨损，其中一体磨损是指在海洋中小颗粒冲撞锚链造成的磨损；二体磨损指的是硬质大型物块撞击软系系泊链时发生的黏着磨损或者锚链链条间焊接处相对运动发生的磨损现象；三体磨损指的是碎石、海冰、海沙等夹杂在链条之间发生的磨损。图1-3表示的为链条的磨损机制。LianzhongSun[22]进行了两次全尺寸套管磨损试验，试验数据表明，在非线性磨损模型中，磨损系数受磨损时间和刀具接头尺寸变化的影响较校因此，在复杂井中，应采用非线性磨损模型来预测套管的磨损深度，具有较高的精度。图1-3链条的磨损机制国内学者对于海洋磨损也有较为深入的研究，郭燕[23]以“胜利七号”海洋钻井平台为对象，研究了装卸桩腿中链接螺栓的作用原理，装卸桩腿通过链接螺栓之间较大的摩擦力和其自锁性来保证整个钻井平台桩腿能够正常运作，而平台发生故障的主要原因是链接螺栓因磨损、冲击、变载荷、振动等造成的松动。赵继松[24]提出海水泵的磨损机理主要包括冲蚀、腐蚀磨损、磨粒磨损和粘着磨损。晏小伟和杨曙东[25]采用多信息综合的方法，结合海水中杂质的尺寸、特征参数和摩擦副的间隙等参数，更加详细的解释了海水泵的磨损机理。毛振东[26]系统的比较了常用于系泊链的22MnCrNiMo钢的摩擦学性能和磨损机理。结果表明，在载荷为3N时，试样表面的磨痕较浅，切削产生的磨粒较少；当载荷增加到8N和13N时，磨痕变得明显，切削状磨粒变多，在磨粒脱落后会在磨痕表面形成明显的裂痕。
【参考文献】：
期刊论文
[1]316NG和321不锈钢在模拟海洋大气氛围中的电化学点蚀性能研究[J]. 舒茗,王丛林,陈勇,徐祺,魏光强,赵宇翔,王浩. 核动力工程. 2017(06)
[2]海水环境中金属材料腐蚀磨损及耐磨防腐一体化技术的研究进展[J]. 刘二勇,曾志翔,赵文杰. 表面技术. 2017(11)
[3]K4169合金在人工海水中的腐蚀磨损图[J]. 张丽敏,董沫辰,吕晋军. 摩擦学学报. 2016(05)
[4]AISI 316不锈钢和Ti6Al4V合金在海水环境中的腐蚀与腐蚀磨损行为（英文）[J]. 陈君,张清,李全安,付三玲,王建章. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014(04)
[5]海洋结构物摩擦学问题的研究进展[J]. 周婷婷,牟明磊,白秀琴,严新平,袁成清. 摩擦学学报. 2013(04)
[6]海洋环境下的材料摩擦学研究进展与展望[J]. 董从林,白秀琴,严新平,袁成清. 摩擦学学报. 2013(03)
[7]海水循环泵双相不锈钢叶轮失效机理分析[J]. 向先保,沙承卓. 水泵技术. 2012(05)
[8]Ti-6Al-4V和Monel K500合金在海水环境中与316不锈钢对磨时的腐蚀磨损性能（英文）[J]. 陈君,阎逢元. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(06)
[9]载荷对n-SiC/Ni镀层腐蚀磨损协同作用的影响[J]. 陈晓磊,吴斌,刘洋,白雪莲,张威. 表面技术. 2012(02)
[10]海水环境下TC4钛合金腐蚀磨损性能的研究[J]. 陈君,阎逢元,王建章. 摩擦学学报. 2012(01)
硕士论文
[1]铜合金的磨损与腐蚀行为研究[D]. 高原.大连理工大学 2015
[2]系泊链钢的摩擦磨损与性能研究[D]. 毛振东.江苏科技大学 2011
[3]自升式钻井平台装配式桩腿的设计[D]. 郭燕.中国石油大学 2010
本文编号：3239076
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钝化膜成型的去质子过程和结合水被氯离子取代的过程：（a）钝化膜形成时的去质子过程；（b）钝化膜破裂结合水被氯离子取代的过程
3图1-1钝化膜成型的去质子过程和结合水被氯离子取代的过程：（a）钝化膜形成时的去质子过程；（b）钝化膜破裂结合水被氯离子取代的过程D.G.Li等人[12]发现不锈钢表面的钝化膜主要由内膜层Cr的氧化物和外膜层Fe的氧化物组成。内膜层的费米能高于外膜层，导致内膜层的能带向下弯曲而外膜层的能带向上弯曲。同时，外膜层的费米能低于溶液介质，导致外膜层的能带向上弯曲。能带弯曲导致正电荷移动到外膜层和溶液介质之间。因此负电荷积聚在斯特恩层（吸附层），能带弯曲越高，越多的负电荷积聚在斯特恩层。溶液中存在大量带有负电荷的微颗粒，微气泡破裂时产生的微射流带动微颗粒以较高的速度冲击材料表面。由于斯特恩层积聚了负电荷，当带有负电荷的微颗粒接近表面膜时，产生了同极相斥的效应，其排斥性足以使得微颗粒远离表面膜，达到保护基材的效果。不锈钢中Mo的加入带来更高的能带弯曲，在外膜层和溶液介质之间积聚了更多的负电荷，对微射流具有更强的排斥性。其示意图间图1-2。图1-2不锈钢无源膜在水溶液中的能量弯曲示意图国内学者也对不锈钢表面薄膜的特性进行了深入研究，林凡等人[13]通过XPS（X射线光电子能谱分析）和EDS(能谱分析)测试了高铬镍不锈钢的表面钝
5颗粒侵蚀行为影响进行了较为详尽的解释，并建立一个适用于所有冲击角的综合理论模型，结合塑性变形导致唇形成的局部化概念，以及适用于所有冲击角和所有侵蚀颗粒形状的广义能量吸收关系。SteenkisteDV等人[21]通过接触体的数量将锚链磨损分为了一体磨损、二体磨损和三体磨损，其中一体磨损是指在海洋中小颗粒冲撞锚链造成的磨损；二体磨损指的是硬质大型物块撞击软系系泊链时发生的黏着磨损或者锚链链条间焊接处相对运动发生的磨损现象；三体磨损指的是碎石、海冰、海沙等夹杂在链条之间发生的磨损。图1-3表示的为链条的磨损机制。LianzhongSun[22]进行了两次全尺寸套管磨损试验，试验数据表明，在非线性磨损模型中，磨损系数受磨损时间和刀具接头尺寸变化的影响较校因此，在复杂井中，应采用非线性磨损模型来预测套管的磨损深度，具有较高的精度。图1-3链条的磨损机制国内学者对于海洋磨损也有较为深入的研究，郭燕[23]以“胜利七号”海洋钻井平台为对象，研究了装卸桩腿中链接螺栓的作用原理，装卸桩腿通过链接螺栓之间较大的摩擦力和其自锁性来保证整个钻井平台桩腿能够正常运作，而平台发生故障的主要原因是链接螺栓因磨损、冲击、变载荷、振动等造成的松动。赵继松[24]提出海水泵的磨损机理主要包括冲蚀、腐蚀磨损、磨粒磨损和粘着磨损。晏小伟和杨曙东[25]采用多信息综合的方法，结合海水中杂质的尺寸、特征参数和摩擦副的间隙等参数，更加详细的解释了海水泵的磨损机理。毛振东[26]系统的比较了常用于系泊链的22MnCrNiMo钢的摩擦学性能和磨损机理。结果表明，在载荷为3N时，试样表面的磨痕较浅，切削产生的磨粒较少；当载荷增加到8N和13N时，磨痕变得明显，切削状磨粒变多，在磨粒脱落后会在磨痕表面形成明显的裂痕。
【参考文献】：
期刊论文
[1]316NG和321不锈钢在模拟海洋大气氛围中的电化学点蚀性能研究[J]. 舒茗,王丛林,陈勇,徐祺,魏光强,赵宇翔,王浩. 核动力工程. 2017(06)
[2]海水环境中金属材料腐蚀磨损及耐磨防腐一体化技术的研究进展[J]. 刘二勇,曾志翔,赵文杰. 表面技术. 2017(11)
[3]K4169合金在人工海水中的腐蚀磨损图[J]. 张丽敏,董沫辰,吕晋军. 摩擦学学报. 2016(05)
[4]AISI 316不锈钢和Ti6Al4V合金在海水环境中的腐蚀与腐蚀磨损行为（英文）[J]. 陈君,张清,李全安,付三玲,王建章. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014(04)
[5]海洋结构物摩擦学问题的研究进展[J]. 周婷婷,牟明磊,白秀琴,严新平,袁成清. 摩擦学学报. 2013(04)
[6]海洋环境下的材料摩擦学研究进展与展望[J]. 董从林,白秀琴,严新平,袁成清. 摩擦学学报. 2013(03)
[7]海水循环泵双相不锈钢叶轮失效机理分析[J]. 向先保,沙承卓. 水泵技术. 2012(05)
[8]Ti-6Al-4V和Monel K500合金在海水环境中与316不锈钢对磨时的腐蚀磨损性能（英文）[J]. 陈君,阎逢元. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(06)
[9]载荷对n-SiC/Ni镀层腐蚀磨损协同作用的影响[J]. 陈晓磊,吴斌,刘洋,白雪莲,张威. 表面技术. 2012(02)
[10]海水环境下TC4钛合金腐蚀磨损性能的研究[J]. 陈君,阎逢元,王建章. 摩擦学学报. 2012(01)
硕士论文
[1]铜合金的磨损与腐蚀行为研究[D]. 高原.大连理工大学 2015
[2]系泊链钢的摩擦磨损与性能研究[D]. 毛振东.江苏科技大学 2011
[3]自升式钻井平台装配式桩腿的设计[D]. 郭燕.中国石油大学 2010
本文编号：3239076
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