(1.宝鸡石油有限责任公司辽阳钢管厂,辽宁 辽阳 111000;2.辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁 抚顺 113001)
Q235钢在不同温度和浓度下氢氟酸中的腐蚀性研究
李 壮1党晓雨1梁 平2
(1.宝鸡石油有限责任公司辽阳钢管厂,辽宁 辽阳 111000;2.辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁 抚顺 113001)
为了研究Q235钢在氢氟酸中的腐蚀性,通过维氏硬度试验、拉伸试验对Q235钢进行了力学性能分析,通过光谱分析仪和金相显微镜对Q235钢进行化学成分分析和组织观察。采用室内浸泡法考察了Q235钢在不同温度和不同浓度下的氢氟酸溶液中的腐蚀性能。结果表明:Q235随着氢氟酸腐蚀溶液温度的升高腐蚀加剧。而在不同浓度下,氢氟酸浓度为30%(体积比)的腐蚀速率最低,在40%氢氟酸中腐蚀速率最高。
Q235钢 温度 浓度 氢氟酸 腐蚀
氢氟酸具有较强的腐蚀性,常用的碳钢材料很难耐受住该介质的长期腐蚀作用[1]。有关碳钢在氢氟酸介质中腐蚀性能究竟如何的研究较少。为此,本文采用Q235通过浸泡的方法,考察了Q235钢在不同温度和浓度下在氢氟酸介质中的耐蚀性,以其该研究结果能为工业应用提供参考价值。
1.1试样制备
实验材料为Q235钢,其工艺流程为:打磨试样→清洗→丙酮擦拭→10%稀硫酸(体积比)→水洗→ 吹干→检测。采用HHS电热恒温水浴锅控制温度,采用TG504分析天平称量试样质量。
1.2 Q235钢试样的理化性能测试方法
采用维氏硬度测试仪对Q235钢进行硬度测试,采用微控电子万能试验机对Q235钢的屈服强度、抗拉强度进行了测试,采用Leica金相显微镜对Q235钢进行组织观察,采用光谱仪对Q235钢化学成分进行分析。
1.3腐蚀性检测方法
将尺寸为50.0mm×25.0mm×5.6mm的Q235钢放入质量分数为40%氢氟酸溶液中浸泡,温度为20℃、30℃、40℃、50℃,腐蚀时间为192h,分别计算各自的腐蚀速率。再将同样尺寸的Q235钢放入质量分数为10%、20%、30%、40%(体积比)的氢氟酸溶液中浸泡,温度为60℃,腐蚀时间为168h,并计算出各自的腐蚀速率。
2.1 Q235钢的理化性能分析
2.1.1 Q235钢的力学性能
Q235钢的表面硬度如图1所示。从图中可以看出,Q235钢的表面压点较大,分别对Q235钢表面取不同的5个点进行维氏硬度测试。Q235钢的维氏硬度值分别为228.9HV,217.9HV,204.3HV,192.0 HV,211.9HV。平均值为211.0HV。
图1 Q235钢维氏硬度测试
表1为Q235钢的屈服强度、抗拉强度、延长率的具体数值。
表1 Q235钢的力学性能测试
2.1.2 Q235钢金相组织观察
采用Leica金相显微镜对Q235钢进行金相组织观察,结果如图2所示。可以看出,Q235钢的组织是由铁素体和珠光体组成。
图2 Q235钢金相组织
2.1.3 Q235钢的化学成份分析
采用光谱分析仪对Q235钢进行化学成份分析,表2为Q235钢的化学成份分析具体数值,主要含有的微量元素除C外,还有Mn、Si以及P、S。其中Mn和Si是有益的元素,对钢具有强化作用。但是不高于1%和0.5%的情况下并不明显。而P则会使钢的塑性降低,S则会使钢的脆性增大。
表2 Q235钢的化学成份分析
2.2腐蚀速率分析
图3为Q235钢在20℃、30℃、40℃、50℃的40%氢氟酸中浸泡192h后,计算各自的年腐蚀速率。测试结果表明,折合成年腐蚀速率分别约为0.2128mm/a、0.4794mm/a、0.5803mm/a、0.6111mm/a。
图4为Q235钢在60℃浓度为10%、20%、30%、40%的氢氟酸浸泡168h后的腐蚀速率。测试结果表明,折合成年腐蚀速率分别约为1.628mm/a、2.033mm/a、0.986mm/a、2.131mm/a。
图3 Q235钢在不同温度下的腐蚀数率
图4 Q235钢在不同浓度下的腐蚀数率
从图3能看出在20℃、30℃、40℃、50℃范围内,氢氟酸对Q235钢的年腐蚀速率是随着温度的升高而升高。随着温度的升高,腐蚀现象加重。对化学反应过程来说,氢与铁反应,铁失去电子,氢离子得到电子变成氢气, 氢离子浓度高低决定反应速率的快慢。温度高提高HF电离度,H+反应活性提高。而且温度高是加速氧的含量,氧气在碳钢腐蚀原电池中起着积极的作用,使去极化效果增强,温度升高会使反应加速。另外氢氟酸与碳钢生成氟化铁,氟化铁是一种致密的锈化物,附在金属表面形成一种保护膜,对Q235钢起到保护作用,能够减缓腐蚀,但是保护膜会随着温度的升高而不断的脱落[2,3]。因此随着温度的升高Q235钢的年腐蚀也随着升高。
从图4能够看出,在40%浓度下的氢氟酸平均年腐蚀速率最高,而在30%浓度下平均年腐蚀速率最低。图5-图6为Q235钢在不同浓度下氢氟酸腐蚀前后的外貌。从化学反应过程来看,氢离子在碳钢中的离子浓度对碳钢的不同影响, 氢氟酸浓度高,氢离子浓度增加,可能生成钝化膜减弱腐蚀进程, 但是随着氢离子浓度的继续增加 有可能不易生成钝化膜而导致加速腐蚀。当氢氟酸浓度为10%和20%时,Q235钢表面都有一层疏松的黑色或暗灰色物质,容易洗掉。浓度为30%时,Q235钢表面呈暗灰色和部分黑色物质,也容易洗掉,并出现较为坚硬的片状白斑与Q235钢结合较好,用砂纸打磨白斑,Q235钢表面出现点坑状,碳钢表面发生了钝化,生成了难溶的氟化物,腐蚀速率较低。浓度为40%时,试样表面呈暗灰色,此时氟离子起了活化作用并破坏了碳钢的钝化,所以腐蚀速率又开始上升[4]。
图5 Q235钢在不同浓度腐蚀前表面形貌
图6 Q235钢在不同浓度氢氟酸腐蚀后表面形貌
从以上实验数据可以看出,Q235随着氢氟酸腐蚀溶液温度的升高腐蚀加剧。而在不同浓度下,氢氟酸浓度为30%(体积比)的腐蚀速率最低,在40%氢氟酸中腐蚀速率最高。因此,考虑到以上条件影响Q235在氢氟酸中的腐蚀速率,因此,尽量避免碳钢高温情况下与氢氟酸接触,又要控制氢氟酸中的水含量。蒙乃尔(Mone1)合金具有极好的抗氢氟酸腐蚀特性,是目前最为理想的抗氢氟酸腐蚀材料,但因其价格较高需要进口而限制了它的广泛使用[5,6]。除采用蒙乃尔合金防止氢氟酸腐蚀外,还可采用在表面镀层的方法来改善碳钢在氢氟酸中的耐蚀性。
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The Corrosion Research of Q235 Steel in Hydrofluoric Acid at Different Temperature and Concentration
LI Zhuang1, DANG Xiao-yu1, LIANG Ping2
(1.Liaoyang Pipe Factory of Baoji Petroleum Steel Pipe Co. ltd , Liaoyang 111000, China; 2.School of Mechanical Engineering, Liaoning Shi hua University, Fushun 113001, China)
In order to study the corrosion of Q235 steel in hydrofluoric acid, The Q235 steel mechanical performance analysis by vickers hardness test and tensile test , and Q235 steel chemical composition analysis and microstructure observation with spectrum analyzer and metallographic microscope. Using indoor soaking method and examined the Q235 steel acid corrosion under different temperatures and concentration of hydrofluoric. The results showed that: Q235 corrosion intensified with the increase of hydrofluoric acid etching solution temperature. And under different concentrations, the corrosion rate is the lowest in Hydrofluoric acid concentration of 30%(volume ratio), and in 40% hydrofluoric acid corrosion rate is the highest.
Q235 steel; temperature; concentration; hydrofluoric acid; corrosion
TG174.2
A
10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.08.060.03
李壮 (1985-) ,辽宁抚顺人,硕士,助理工程师,从事管道行业安全管理工作。