硫化氢环境下老旧管道失效概率评价方法研究

老旧管道在服役过程中存在着失效风险,而影响老旧管道失效的因素有很多,在众多影响因素中硫化氢对管道产生的腐蚀损伤较严重。为解决受腐蚀损伤的老旧管道安全评估问题,文章建立了一种在硫化氢环境下老旧管道失效概率评价方法。以在硫化氢环境中使用了约20年的老旧集气管道为研究对象,采用蒙特卡洛法模拟管道服役过程中的动态压力和腐蚀损伤引起的剩余强度的变化,计算了单一腐蚀因素引起管道失效的概率,并通过正态分布概率给出管道使用的安全范围。研究结果表明:投运20年以上的含硫老旧管道在氢致开裂实验与应力腐蚀开裂实验中,均未发生开裂。根据模型计算得出,老旧管道依旧可以安全服役,但服役6年后失效概率超过0.5,需要进行整修工作,服役27年后,管道内腐蚀严重,剩余强度降到3.82 MPa,需要更换管道。通过模拟得到了失效概率与腐蚀缺陷和服役时间的关系,为老旧集气管道再服役提供理论依据和参考价值。

CCUS腐蚀控制技术对策

碳捕集、利用与封存技术(CCUS)对于减缓全球气候变化、推进低碳发展具有重要意义。在石油开采过程中,利用CCUS技术将储存的CO_(2)注入油气井提高了油田原油采收率,但是CO_(2)溶于水后形成的碳酸会加剧金属管道的腐蚀,对设备的安全运行造成重大威胁。首先介绍了CO_(2)腐蚀机理,详细描述了造成油气生产系统中CO_(2)腐蚀的主要影响因素;然后对合金防护、涂覆防护层防护、缓蚀剂防护等常见的腐蚀控制方法及其研究进展进行了分析讨论;最后结合CCUS腐蚀控制研究现状,总结了在不同介质环境下CO_(2)腐蚀控制具体的措施和建议。研究成果为CO_(2)腐蚀控制技术的研究与发展提供了参考和依据。

CMAS、CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐作用下热障涂层的腐蚀行为与机理

环境沉积物(CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2),CMAS)的高温腐蚀已成为航空发动机涡轮叶片热障涂层过早失效的重要原因之一。然而涡轮叶片工作环境复杂,熔盐、海盐常与CMAS耦合,一起对热障涂层造成多元复杂腐蚀,但目前关于CMAS与盐类的多元耦合腐蚀行为鲜有报道。针对Y2O_(3)部分稳定ZrO_(2)(YSZ)热障涂层在CMAS、CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐作用下的腐蚀行为进行对比研究。通过XRD、SEM等方法对不同条件下腐蚀后的涂层进行表征,并分析热处理温度、腐蚀物种类对腐蚀行为的影响。结果表明:与CMAS相比,CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐会在更低的温度下损伤涂层(1200℃)。当三种腐蚀物均能完全熔化时(1250℃),CMAS+NaVO_(3)、CMAS+海盐熔体则由于更大的流动性而大量渗入,腐蚀内部涂层。其中,CMAS+海盐熔体在涂层内的渗透性最强,1250℃热处理4 h后,渗透深度超过400μm。盐类的共存会改变CMAS的性质,增强熔体的渗透能力,增加涂层内部甚至底部失效的倾向。研究结果有助于理解盐类与CMAS耦合时混合熔体对热障涂层的破坏机理及潜在威胁。

热处理对选区激光熔化Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金力学性能和腐蚀行为的影响

以Al-4.77Mn-1.37Mg-0.67Sc-0.25Zr(质量分数,%)合金粉末为原料,在激光功率330 W和扫描速率700 mm/s下进行选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)形成SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金,结合慢应变速率拉伸实验、电化学测试、析氢浸泡实验及显微组织表征手段,分析了(350℃,8 h)热处理对SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金力学性能和腐蚀行为的影响。结果表明:SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金力学性能优异,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为423 MPa、376 MPa和25.1%。热处理后,SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金晶内析出大量针棒状纳米Al_(6)Mn相,抗拉强度和屈服强度分别提升至509 MPa和478 MPa。此外,SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金具有良好的耐蚀性能,热处理可以促进SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的钝化,在-0.5 V极化电位时出现钝化台阶,降低SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的电流密度,增加SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的阳极极化率,使SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的平均析氢速率从0.242 mL/(cm^(2)·h)降至0.216 mL/(cm^(2)·h),应力腐蚀敏感因子从3.379%降至0.405%。与此同时,热处理也促进了晶内微米富Si相以及晶界富Mn相和Mg相的析出,增加了SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金点蚀形核位置,增大了SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的晶界电化学成分非均匀性,降低了SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的点蚀和晶间腐蚀抗力。

采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制

随着我国煤矿开采向深部延伸,断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果,笔者提出了采动岩体损伤破裂−破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型,推导了2种介质的渗透性演化方程,系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征,系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明:①随着工作面不断推进,底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通,形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径,并随着冲蚀时间增加,最终发展成为数条优势导水通道,造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。②随着渗流时间增加,断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段,冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③在研究矿区地质条件下,为预防发生断层突水,可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法,超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前,若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。

TC4表面TiN/Ti涂层的热腐蚀行为研究及第一性原理计算

目的综合评估涂层性能、延长压气机叶片的使用寿命,进行TiN/Ti涂层及冲蚀后TiN/Ti涂层的热腐蚀行为机制研究。方法进行了完整TiN/Ti涂层及冲蚀后TiN/Ti涂层300℃/120h的热腐蚀实验,腐蚀介质为95%(质量分数)Na_(2)SO_(4)+5%(质量分数)NaCl。冲蚀实验采用形状不规则的SiO_(2)颗粒,冲蚀角为45°,冲蚀速度为130 m/s,供砂速率为6.4 g/min。建立了完整TiN涂层、表面具有孔洞的TiN涂层及表面具有Ti液滴的TiN涂层3种第一性原理腐蚀计算模型。结果TiN/Ti涂层热腐蚀后,液滴处发生氧化并且变得疏松;样品切割边缘产生腐蚀锈迹,最终出现鼓包和裂纹;冲蚀后,涂层表面的完整性受到破坏,相较于未冲蚀区域,冲蚀坑周围更容易出现腐蚀。在热腐蚀过程中,SO_(4)^(2-)中的O和完整TiN涂层中的Ti以及液滴中的Ti电子云团接触,存在电荷转移及成键倾向,具体为Ti失电子、O得电子,腐蚀主要发生在SO_(4)^(2-)中的O与Ti之间。结论第一性原理计算结果与热腐蚀的实验结果相一致,第一性原理计算结果可以从微观上反映液滴和孔洞等缺陷对涂层热腐蚀行为的影响,能够为分析涂层的热腐蚀机制提供理论依据。

盐冻耦合作用下水工混凝土耐久性及寿命预测

为研究西北地区冻融盐侵环境下水工混凝土的耐久性,制备了不同粉煤灰掺量的混凝土试件,以不同浓度的硫酸钠溶液作为介质开展了冻融循环试验,阐明了不同循环次数下试件的外观、质量、抗压强度和动弹模量的变化规律,基于XGBoost模型建立了混凝土寿命预测模型并对其进行了评价和验证。研究结果表明,随着冻融循环次数增加,混凝土质量、抗压强度和动弹模量逐渐减小;冻融循环次数和硫酸钠溶液浓度是影响混凝土寿命的关键因素,8%硫酸钠溶液破坏度最高,此溶液浓度下冻融150次后混凝土质损率达4.55%;粉煤灰的掺入量对混凝土耐久性有一定影响;最优粉煤灰掺量为10%,此掺量下冻融150次后混凝土质损率为3.99%;XGBoost模型在混凝土寿命预测方面具有较高的精确性和可靠性。本研究可为混凝土结构的耐久性设计和寿命预测提供参考。

水土保持生态建设下的黄土高原典型流域水沙响应

为探讨黄土高原多沙粗沙区流域水沙关系演变特征及其对水土流失治理的响应,以黄河中游无定河流域为研究对象,综合采用水沙关系曲线、数理统计等多种方法,系统分析1956—2019年间无定河流域水沙关系多时间尺度演变特征及其与水土流失治理的协同响应。研究结果表明:1)研究时段内,无定河流域年径流及年输沙量呈锐减趋势(P<0.05),且均在1970年左右发生减少突变;2)流域水沙关系在年际和场次洪水尺度上均发生深刻变化。2010年以后,暴雨频发导致流域内侵蚀物源头供应明显增加,流域河道泥沙输送能力小幅提高;3)水土保持措施实施对流域水沙锐减影响较大。2000年前后在相似降雨条件下,单位降雨量径流量和单位降雨量输沙量较20世纪70年代减少47%和62%。水土保持措施面积增加与流域径流输沙减少呈现较好的一致性,流域水土流失治理在提高黄河多沙粗沙区流域下垫面抗侵蚀能力等方面发挥重要作用。研究结果可为科学认知区域水土流失治理成效及入黄泥沙锐减成因提供参考。

将腐蚀与防护实验和国家重大工程衔接的课程思政案例设计

将胶州湾跨海大桥材料的腐蚀防护研究作为实际应用案例引入物理化学实验教学。通过结合工程实际改进实验,增加了相关材料在不同腐蚀介质中的腐蚀行为研究等内容,对相关材料及几类防护措施的防护效果进行了比较研究。实验将原物理化学实验中涉及的线性扫描伏安(极化曲线测量)和电化学阻抗方法进行了组合,对Q235和Q275两种合金钢、锌合金和镁合金两种牺牲阳极材料、无涂层和有环氧涂层的钢铁在模拟海水和真实海水两种电解质溶液环境中的腐蚀性能和防护效果进行了研究。改进后的实验可以增强学生学以致用的意识,增强他们对工程问题的综合性和复杂性的认识,还可以培养团队意识和合作能力,通过培养腐蚀防护意识和绿色环保意识强化学生的学科素养和社会责任感。

加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响

为探究加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响,开展16根RC梁(质量损失率0%~8.7%)在不同加载速率(0.5~300 mm/min)下的粘结性能测试,据此提出考虑加载速率和钢筋锈蚀影响的粘结强度计算公式,并开展锈蚀钢筋混凝土梁粘结力学行为的数值模拟,分析高加载速率(30~30000 mm/min,应变率10^(-4)~10^(-1)s^(-1))下锈蚀梁的粘结滑移力学行为。研究表明:(1)加载速率对锈蚀钢筋混凝土梁式试件的粘结应力-滑移曲线形状以及粘结强度与残余粘结强度的比值影响不大;(2)随着加载速率的增加,锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度和残余粘结强度显著增加,粘结区应力峰值显著增加并逐渐向加载端靠近;(3)本工作提出的考虑加载速率和钢筋锈蚀影响的粘结强度计算公式在0.5~30000 mm/min的加载速率范围内有很好的适用性。

腐蚀疲劳交替下2A12-T4航空铝合金的寿命分析研究

基于飞机服役期间经历“地面腐蚀与空中疲劳”的交替损伤模式,考虑载荷间的相互作用,研究了航空铝合金2A12-T4在预腐蚀与“腐蚀+疲劳”交替模式下疲劳寿命的退化与损伤累积规律。同级加载条件下提出利用腐蚀疲劳耦合损伤指数和迟滞载荷用来描述考虑交替腐蚀疲劳损伤模式,用各级疲劳损伤间的相互影响及腐蚀损伤与疲劳损伤在服役工作期间的耦合作用来描述腐蚀、疲劳间的相互促进、加速劣化的现象。基于损伤力学和非线性累积理论,考虑载腐蚀疲劳耦合指数与迟滞载荷对传统的Miner线性累积损伤理论进行修正。建立了飞机结构材料的寿命计算模型,并将模型计算结果与试验结果进行对比验证。确定了腐蚀实验中的腐蚀耦合损伤,并利用低载锻炼效应理论得出均匀分布的迟滞载荷。计算结果表明,本文提出的寿命计算模型的结果与实验结果比较吻合。

近海大气环境下RC结构钢筋锈蚀程度预测

钢筋锈蚀是影响近海大气环境下RC结构使用寿命的重要因素之一。为研究近海大气环境下混凝土碳化与氯离子侵蚀双重作用对钢筋锈蚀的影响,对沿海地区不同龄期钢筋混凝土结构进行了工程实测,包括混凝土抗压强度、碳化深度、钢筋表面氯离子浓度及锈蚀深度。基于实测结果,拟合得到了混凝土碳化深度与抗压强度间的关系模型,建立了同时考虑混凝土碳化深度与钢筋表面氯离子浓度的钢筋锈蚀深度预测模型。在此基础上,利用Abaqus分析软件对不同龄期、轴压比的RC框架柱进行了损伤塑性分析,得到了锈蚀RC框架柱抗震性能随服役龄期与轴压比的变化规律。

基于气-固两相流喷嘴实验的20G钢冲蚀机理研究

目的由天然气管道内壁减薄及穿孔导致的天然气泄漏事故频繁发生,输气管道面临着日益严重的冲蚀磨损问题。针对这一问题需要明确输气管道材料的冲蚀行为及机理,为抗冲蚀材料设计和延长管道使用寿命等工作的开展提供有效支撑。方法基于ASTM-G76测试标准,采取气-固喷嘴冲蚀试验研究方法,利用空气射流冲蚀实验机,开展不同冲击角度和冲击速度下天然气管道材料20G钢的气-固冲蚀实验;采用扫描电子显微镜、激光粒度分析仪等设备分析试样表面冲蚀形貌及特征;采用Ahlert冲蚀模型对实验数据进行拟合,建立20G钢的冲蚀率方程。结果当冲击速度(15~72 m/s)增大时,冲蚀率随之增大。当冲击角度(15°~90°)增加时,冲蚀率随之减小。冲蚀面积随着冲击角度的增加而减小。在低冲击角度下(15°、30°),固相颗粒的“犁削”为主要冲蚀及材料移除机制。在中等冲击角度下(45°、60°),冲蚀机制呈现混合形式,犁削、压实与开裂共同作用于材料表面。在高冲击角度下(75°、90°),以压实和开裂为主要冲蚀及材料移除机制。结论在气固两相流作用下,20G钢的冲蚀磨损过程符合典型的塑性材料冲蚀规律。颗粒冲击速度不会直接影响冲蚀机制,颗粒冲击能量的变化是影响冲蚀率的主要因素。建立了适用于天然气管道材料抗冲蚀性能对比和CFD冲蚀模型的冲蚀速率方程。

S31603复合板压力容器点蚀行为试验研究

针对S31603复合板压力容器不锈钢层不同点蚀深度的发展进程及穿透至碳钢层后的电偶腐蚀风险,通过预制不同点蚀深度的S31603复合板试片组,分别在实验室和现场S31603复合板压力容器内进行腐蚀试验,并对试片进行宏观分析、低倍观察、高倍观察及腐蚀产物表征分析。结果表明,S31603复合板预制的点蚀坑深度穿透至碳钢层时发生了明显的电偶腐蚀,实验室腐蚀试验和现场试验最高点蚀速率分别达到4.954,1.023 mm/a;用S31603复合板试片预制的点蚀坑深度穿透至碳钢层后碳钢优先发生电偶腐蚀;S31603复合板试片预制的点蚀坑深度处于不锈钢层时腐蚀轻微,也未萌生新的点蚀,相邻点蚀坑之间也未见明显的腐蚀影响。在含Cl-的酸性腐蚀性介质环境下,当S31603复合板压力容器点蚀深度处于不锈钢层时腐蚀轻微,当点蚀深度穿透至碳钢层后,会发生明显的电偶腐蚀,需要缩短S31603复合板压力容器开罐检修周期以保证安全使用。

TC4钛合金表面固体粒子冲蚀损伤行为及机理研究

目的探究TC4钛合金在固体粒子冲蚀下的损伤行为,揭示钛合金表面的冲蚀机理。方法采用自主搭建的冲蚀试验装置,以TC4钛合金为研究对象,综合运用正交试验法和控制变量法开展常温干砂粒冲蚀试验。通过扫描电镜综合分析冲蚀区域表面和截面的微观形貌,采用能谱仪分析冲蚀区域元素的组成,利用电子天平测量冲蚀磨损质量;讨论工艺参数对钛合金损伤行为及冲蚀机理的影响。结果相较于冲砂量和冲蚀角度,冲蚀距离对冲蚀量的影响更大;冲蚀量随着冲蚀角度的增加呈先增大后减小的趋势,在40°附近达到峰值。结合数值模拟和试验研究结果发现,钛合金的损伤形式和冲蚀机理与冲蚀角度密切相关,在低攻角时形成了较狭长的犁沟和挤压唇,发生了明显的塑性变形,容易产生二次撞击,表现为微切削机制;在中攻角时,微切削与锤击效应共存,损伤最为严重;在冲蚀角度为90°时,形成了较多的撞击坑、挤压唇及少量的疲劳剥层,主要为锤击效应引起的疲劳破坏。在低攻角时,磨料动能损失较小,随着冲蚀角度的增加,磨料动能损失增大,且在不同攻角下均有破碎磨料嵌入基体。结论冲蚀距离和冲砂量对钛合金冲蚀损伤的影响较为显著,冲蚀角度会影响钛合金的冲蚀机理,此研究结论可为钛合金结构件抗冲蚀设计提供理论依据。

热处理对2205双相不锈钢显微组织及性能的影响

采用光学显微镜、显微硬度计和电化学工作站等研究了2205双相不锈钢经不同温度保温不同时间后的显微组织及性能,并分析了其经不同工艺热处理后的γ和α两相比例和析出相的变化。结果表明:2205双相不锈钢初始状态下α和γ相含量分别为41.2%和58.8%。保温时间相同时,随着热处理温度的升高,γ相含量减少,σ相含量先增加后减少,硬度增加,腐蚀电位先降低后增加。保温温度相同时,随着保温时间的延长(0.5~2 h),γ相和σ相含量增加,γ相含量增幅为2.43%~3.87%,σ相含量增幅为0.05%~0.08%,晶粒有长大趋势,硬度逐渐降低,腐蚀电位总体呈降低趋势。当加热温度为950和1000℃时,硬度随保温时间增加而降低的幅度较明显。σ相含量及α/γ比例增加是造成2205双相不锈钢耐腐蚀性能下降的主要原因。

某东南沿海电厂钢结构腐蚀影响因素分析

目的 对比腐蚀环境因子分布和钢结构腐蚀事件分布,分析影响火力发电厂钢结构腐蚀的主要环境因素,探讨火力发电厂钢结构腐蚀的机理。方法 以东南沿海某火力发电厂为例,对电厂厂区进行网格化,利用便携式温湿度计进行逐网格温、湿度监测,逐网格收集结构物表面灰尘,并分析其中氯离子、可溶盐、酸碱含量等,开展腐蚀环境监测。统计从2012年至2022年10年间该电厂每一网格内的腐蚀防护工程,如腐蚀防护器件、装备、材料购置等项目的施工或应用次数。结果 温度、湿度及钢结构表面灰尘中氯离子含量、可溶盐含量、灰尘浸渍水p H等因子受海洋环境、厂区结构分布、生产活动多重原因的影响,随距海距离增加呈带状分布,或围绕生产设施点呈辐射分布。结论 环境因子对钢铁结构腐蚀的影响大小顺序为结构物灰尘含盐量>结构物灰尘浸渍水p H>相对湿度>结构物灰尘氯离子含量>温度。电厂钢结构腐蚀机理为雨水或大气凝结水溶出结构物表面灰尘的可溶性盐,含盐水经涂层缺陷输运至金属表面,成为钢铁腐蚀原电池的离子导路,导致钢结构发生电化学腐蚀。

酸性大气环境对钢梁腐蚀行为的研究

钢梁在酸性大气环境下的腐蚀是随时间逐渐进行的,了解其腐蚀深度及腐蚀速率是研究腐蚀后钢梁承载力和退化规律的前提。基于含SO_(2)的酸性大气环境下钢材腐蚀机理和幂函数模型,从金属电化学腐蚀理论出发,推导低碳钢在酸性大气环境下腐蚀深度的理论预测模型,并将得到的预测模型与大气腐蚀试验站测得的试验数据及幂函数模型进行对比,结果表明三者得到的腐蚀深度数据接近,且发展趋势一致。从电化学腐蚀角度给出预测低碳钢腐蚀深度的理论方法,为分析腐蚀环境下钢梁的稳定承载力奠定基础。

复杂管道浓差腐蚀机制深入分析

在关于管道的流动加速腐蚀研究中,浓差腐蚀这一机制一直被忽视,这是因为这种腐蚀的出现需要一定的条件,即流体中的氧的分布存在较大的差异。为了揭示这种机制的腐蚀过程,本文以复杂形状管道为例,采用数值模拟技术建立了关于浓差腐蚀的数学模型。将管道壁面附近的流体粘性底层作为研究对象,对其进行离散化处理,然后根据基尔霍夫第二定律建立了关于极化后的腐蚀电流的离散方程组,并对其进行求解,得到了浓差腐蚀条件下,离子导电层的电流分布。结果表明:浓差腐蚀会引起腐蚀电流的极大的改变,使管路各部位的腐蚀情况有所改变,如果不考虑浓差腐蚀,对管路的腐蚀情况会产生错误判断。

黄土高原径流侵蚀功率输沙模型的改进

水土流失对流域生态危害严重,输沙量模拟和预测可以为流域水土流失防治提供依据,因此精确的输沙模型是流域水土流失治理的重要工具。为了精确模拟变化环境下黄土高原年输沙量,该研究基于黄土高原19个水文站的径流和输沙数据,通过随机森林变量重要性度量方法评估年径流侵蚀功率、淤地坝指数、淤地坝相对指数、归一化植被指数、不透水地面积等因子对流域年输沙量的影响,使用非线性最小二乘法估算年输沙模型参数,对比分析不同因子组合的年输沙模型精度,提出适用性较强的黄土高原年输沙模型,据此开展年输沙量变化贡献率分析。结果表明:1)以幂函数形式构建的仅含径流侵蚀功率单因子输沙模型精度与流域面积有显著的负相关关系,相关系数为-0.505(P<0.05),模型精度随着流域面积增大而下降,在面积大于7000 km^(2)的流域适用性较差;2)年径流侵蚀功率、淤地坝指数及不透水地面积因子组合建立的多因子年输沙模型在黄土高原适用性最佳,模型在率定期纳什效率系数平均值为0.84,均方根误差平均值为0.21亿t,在验证期纳什系数平均值为0.79,均方根误差平均值为0.27亿t。3)影响研究流域年输沙量变化的因素依次是:年径流侵蚀功率、不透水地面积和淤地坝指数。研究可以为黄土高原不同区域水土流失防治和生态治理工作提供理论支撑。