热浸渗铝热硫耐腐蚀性能与渗铝层孔隙及裂纹研究

黄可中

南京南化建设有限公司 江苏南京 210044

热浸渗铝热硫耐腐蚀性能与渗铝层孔隙及裂纹研究

黄可中

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选取20#钢进行热浸渗铝法渗铝,通过渗铝层检测及腐蚀试验数据分析,得出渗铝管的耐腐蚀性能与渗铝层的原始裂纹等级并无关联,为工程选取渗铝管材料提供试验数据支持。

碳钢热浸渗铝钢孔隙裂纹等级腐蚀试验

渗铝是一种表面渗金属的热处理方法,属于化学热处理的范畴［2］。它是通过物理或化学的方法,在钢材表面形成一种铁铝合金层,使之具有抗高温氧化性、耐硫化氢腐蚀以及耐环烷酸腐蚀等优良性能。在某些特定的环境下可以用普通渗铝钢材代替不锈钢,因此具有很重要的经济价值［3］。20世纪30年代,国外开始出现渗铝这种化学热处理工艺。渗铝钢的工艺研究和工业化生产在工业发达国家(如美国、俄罗斯、日本)发展很快,应用较多。例如包埋渗铝钢在日本、科威特、南非、韩国等国家用于加氢脱硫等装置上,有的用于反应器周围配管,也有用于加热炉管等［1］。在20世纪50年代末,我国也开始研究渗铝工艺［4］。

目前,渗铝的主要方法有粉末法、热浸法(亦称熔剂法)和热喷涂法三种。相比之下热浸法操作及设备简单,渗层性能优良,是目前所有渗铝方法中最经济也是最有应用前景的工艺方法。热浸渗铝已在电力、化肥、石油、冶金、机械制造等部门的120多个厂家推广使用,取得较好使用效果［5］。

1 试验材料与方法

试验钢管为20#钢,成分如表1所示,钢管试样直径为Φ57mm。进行热浸铝工艺流程,首先进行钢件表面除油→水冲洗→除锈→水冲洗→表面助镀→水冲洗→烘干→热浸铝→扩散渗铝→水冲洗→晾干入库。随机抽取8组管件作为渗铝层厚度、孔隙及裂纹检测的试样。

表1 20#钢化学成分(质量分数，%)

2 试验

2.1 渗铝层厚度检测

在20#钢热浸渗铝过程中,当铝液与铁接触时,由于铁与铝之间发生相界面反应,首先在界面上形成铝铁合金层并产生FeAl3相。而后随着铝原子向铁内扩散,铁原子也会穿过合金层与熔融铝反应,使FeAl3 相层的厚度增加。此时,由于浓度起伏,在表面的FeAl3中出现了浓度相当于Fe2Al5 化合物的微区。当熔体中的铝原子进入FeAl3 层继续向铁内扩散时,则形成Fe2Al5相。这种相变重结晶从FeAl3 相表面开始,并使Fe2Al5相沿扩散方向长大,形成若干晶粒粗大的柱状晶。由此可见,热浸渗层的形成是铁与铝液相界面反应和反应扩散的结果［6］。

将选取的8组渗铝管试样沿截面方向截开,镶嵌或用夹具夹持,并进行磨抛,用AxioObserver.A1m型蔡司显微镜观察合金层截面形貌,金相照片如图1所示。检测内外渗铝层厚度,检测结果见表2。

测厚时,在每个检测位置取5点读数的平均值作为一次测

量值。每个测量件的三次测量值都符合规定为合格。检测标准依据GB/T 18592-2001“钢铁制品热浸镀铝技术条件”。其扩散型渗铝层厚度合格要求为≥0.10mm,所以经检测8组试件渗铝层厚度均满足标准要求。

图1 内、外侧热浸镀铝层金相组织照片

表2 渗铝层厚度检测结果

2.2 渗铝层孔隙及裂纹检测

钢管渗铝后,其机械力学性能变化不大。但渗铝过程中会出现一些原始孔隙裂纹,对8组试样进行原始孔隙和裂纹情况的检测,金相照片如图2、3所示。

图2 内侧热浸镀铝层金相组织照片

图3 外侧热浸镀铝层金相组织照片

孔隙合格级别根据产品使用条件确定。一般规定孔隙1-3级合格,4-6级不合格。有孔隙层厚度不得大于热浸镀铝层厚度的四分之三。碳素钢及低合金钢扩散型热浸镀铝层裂纹级别一般规定0-3级合格,4-6级不合格。8组试件的孔隙及裂纹评定等级见表3。

根据测量结果8组试件孔隙都在合格范围内,裂纹检测其中第4组和第5组裂纹不满足要求。

表3 渗铝层孔隙及裂纹检测结果

2.3 热硫腐蚀试验

在化工行业生产中,尤其是在制酸设备中,对金属的耐腐蚀性能要求极高。钢材经过渗铝处理后,利用铝的电化学特性,在金属表面形成一层稳定、致密、无孔和连续的铝合金层,可有效阻止腐蚀介质侵入,从而达到防腐蚀的目的［7］。

对渗铝管的原始裂纹等级对耐腐蚀性的影响做实验进行研究,选取5组不同原始裂纹等级的渗铝管进行测试,试验温度为700℃,试验周期为168h,试验设备为可控气氛/真空管式加热炉(5台),试样表面处理过程是采用涂盐法将试样表面涂覆煮沸的95%硫酸钠+ 5%氯化钠饱和溶液,干燥后在试样表面均匀沉积出盐膜(涂盐量约5mg/cm2),随后装入管式炉中进行高温热腐蚀试验。试验前后试件表面照片如图4所示。

图4 验前钢管(左1、左2)与试验后钢管(右1、右2)

以目测渗铝钢管外表面氧化锈点数量及分布作为评价其耐热腐蚀性能的依据。其试验结果见表4。

表4 热浸渗铝管热腐蚀试验结果

热硫腐蚀试验结果表明,在高温实验室模拟加速热硫腐蚀试验条件下,所有样品表面均出现腐蚀现象,但是腐蚀程度与试件原始裂纹等级并无关联,耐腐蚀性能满足设计要求。试验表明,在温度为700℃、95%硫酸钠+ 5%氯化钠饱和溶液的工作环境中,钢材渗铝后的耐腐蚀性能比不渗铝的提高了近250倍。这说明,渗铝工艺确能有效的提高钢材的耐腐蚀性能。

3 结论

(1)渗铝管内壁合金层略厚于外壁,合金层与基体之间存在呈锯齿状的分界线,合金层呈柱状生长趋势,沿截面方向,合金层中、含量分布较均匀。

(2)渗铝管合金层中存在数量较多、尺寸较大的疏松孔洞,尤其是接近表面处,孔洞中、元素含量无异常。

(3)在温度为700℃、95%硫酸钠+ 5%氯化钠饱和溶液的工作环境中,钢材渗铝后的耐腐蚀性能比不渗铝的提高了近250倍。

(4)渗铝管的耐腐蚀性能与试件原始裂纹等级并无关联。选取合格的裂纹等级管材可以满足工程设计要求。

1 盛长松, 李选亭.炼油厂渗铝钢技术的发展［ J］ .石油化工腐蚀与防护, 2001, 2：1 -4.

2 李忠扬.钢的渗铝［M］ .北京：机械工业出版社, 1985.

3 唐超.渗铝钢在石油天然气工业中的应用［J］.石油工程建设,1993, 19 (5)：21-23.

4 陈瑞.渗铝钢的耐蚀性能及其在工业上的应用［J］.化工机械,1991,20 (5)：51-55.

5 郝建堂,张翠兰,陈冬.我国熔剂法热浸渗铝工艺发展概况［J］.金属热处理,1995,(1)：5-5 .

6 丁庆如.碳钢热浸渗铝工艺及应用［J］.热加工工艺,1994,(3)：30-30.

7 丁庆如.渗铝钢的性能及在石油化工装备中的应用［J］.石油机械, 1999, 27(5)：52-54.

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