Исследования электрохимической и ударной эрозии сухим песком углеродистой стали

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 16583 (2015) Цитировать эту статью

4794 Доступа

16 цитат

Подробности о метриках

В этом исследовании изучалась сухая и водная эрозия мягкой стали с использованием электрохимических методов и методов воздействия сухого песка. В экспериментах по воздействию сухого песка мягкая сталь подверглась эрозии частицами песка размером 45 и 150 мкм. Сканирующая электронная микроскопия (SEM), энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX) и методы микротвердости были использованы для уточнения морфологии поверхности эродированных образцов. Результаты выявили значительные изменения в морфологии эродированных образцов. Углубленный анализ показал, что хотя эрозия металла из-за более крупных частиц была значительно выше, мелкие частицы также заметно повредили поверхность металла. Повреждения поверхности заметно уменьшались при уменьшении угла падения ускоренных частиц. Максимальные повреждения наблюдались при угле удара 90°. Твердость образцов, обработанных песком размером 45 мкм и 150 мкм, оставалась в пределах от 88,34 до 102,31 ВХН и от 87,7 до 97,55 ВХН соответственно. В электрохимических экспериментах в процесс обработки металла добавлялся трехэлектродный зонд. Измерения сопротивления линейной поляризации (LPR) проводили в суспензиях, содержащих 5% (по массе) частиц песка. LPR образцов, обработанных песчаными суспензиями размером 45 мкм и 150 мкм, составил около 949 Ом·см2 и 809 Ом·см2 соответственно.

Эрозия обычно определяется как потеря материала с поверхности металла под воздействием текущей жидкости, несущей мельчайшие твердые частицы, в результате серии механических воздействий1,2. Соотношение между различными определениями эрозии на самом деле относится к эрозии металлов под действием различных повреждающих механизмов. Во многих случаях утечки происходят из-за эрозии металлов, вызванной крупным песком и мелкими частицами в нефтегазовой промышленности2,3. Некоторые случаи заканчиваются смертельным исходом из-за утечки природного газа под высоким давлением из технологических линий, что может привести к взрывам, как показано на рис. 1.

Отказ, вызванный песчаной эрозией мягкой стали.

Нефть и газ, добываемые из скважины, неизбежно загрязняются песком и другими твердыми частицами. Нежелательный мусор является основным источником ряда проблем со страхованием потоков в нефтегазовой отрасли. Повреждения арматуры и трубопроводов также являются последствиями песчаной эрозии. Если эрозию не прогнозировать, не отслеживать и не контролировать должным образом, она может затруднить весь производственный процесс. В некоторых случаях это может привести к остановке процесса на длительный период времени. Поэтому важно понимать и прогнозировать песчаную эрозию для надлежащей защиты трубопроводов и оборудования от ее потенциальных опасностей3.

Эрозионный процесс далее подразделяется на пробную эрозию и водную эрозию. В данном исследовании рассматриваются как сухие, так и водные эрозионные процессы. Водная эрозия включает удаление материала либо за счет коллапса пузырьков, либо за счет столкновения жидких/твердых частиц. В данном случае эрозию мягкой стали в 5% по массе песчаной суспензии и в среде сухого песка проводили с частицами двух размеров. Важно отметить, что эрозия обычно достигает максимума при наличии песка в жидкости. Шламовая или водная эрозия также является серьезной проблемой в гидротурбинах и других жидкостных машинах, где разрушающие твердые частицы, увлекаемые жидкостью, ударяются о поверхность металла, вызывая ее разрушение3,4.

Электрохимическая реакция разрушает поверхность материала в результате эрозии и коррозии, тогда как механическая сила твердых частиц повреждает поверхность в результате эрозии. В водной среде или суспензии скорость электрохимической реакции пассивного материала относительно ниже, чем скорость потока, несущего твердые частицы5. Текущие жидкости могут полностью или частично разрушить пассивные слои. Однако поверхностная эрозия существенно зависит от скорости движения твердых частиц, угла падения, механической прочности и остроты частиц, участвующих в процессе. Распад пассивных пленок вызывает депассивацию поверхности, вследствие чего скорость электрохимической реакции увеличивается за счет репассивации и растворения металла. Однако очень короткие периоды воздействия и сильно локализованные деформации могут привести к сложному явлению удара3,4,5.