提高SA106B低碳钢管材内壁抗腐蚀性的表面处理及测试方法与流程

本发明涉及一种提高sa106b低碳钢管材内壁抗腐蚀性的表面处理及测试方法，属于核电关键结构材料领域。

背景技术：

随着大量核电站的建设和运营，核电站关键部件在运行环境下的失效行为越来越引起人们的高度关注。第三代压水堆ap1000核电站核岛蒸汽发生器系统大直径薄壁无缝钢管主要采用sa106b碳钢制成。sa106b的化学成分(质量百分数)为：c≤0.25，si≤0.1，mn＝0.2–0.93，p≤0.035，s≤0.035，cr≤0.4，ni≤0.025，cu≤0.4。通过增加c、mn含量，保证低温冲击韧性和高温强度指标。但由于较低的耐腐蚀cr、ni合金元素含量，sa106b碳钢的耐腐蚀性能较差。在各种核电设备的腐蚀失效中，应力腐蚀与流动加速腐蚀是最主要的失效方式。这些失效除了带来管线失效和更换、增加检测费用、人员伤亡和财产损失等直接损失外，停工造成的间接损失也十分巨大。因此，需要寻找一种简单、易行、经济合理的方法提高sa106b碳钢耐腐蚀性能的方法。

受应力、流动水冲刷、腐蚀等综合影响，应力腐蚀与流动加速腐蚀的发生均始于管材的内壁。一般来说，表面喷丸处理可强化材料的表面进而改善其抗应力腐蚀和流动加速腐蚀性能。但是对于管状材料，常规的表面喷丸技术由于受设备尺寸的限制，无法实现对管材内壁的强化。高压气动喷丸技术(highpressurepneumaticshotpeening，hppsp)是一种新型的表面强化技术，具有弹丸直径小，喷丸速率范围大，适用性广等特点，可根据材料的服役要求在管状材料的内壁制备出特定厚度的纳米梯度结构层，提高材料的综合性能。大量研究结果表明，表面喷丸处理对材料腐蚀性能的影响与喷丸工艺有密切关系。不同的喷丸工艺带来表面粗糙度、形变织构、晶界体积、材料相变等的变化，针对不用的材料，需要设计不同的喷丸工艺。hppsp处理技术主要通过控制相变、细化析出物、改善珠光体相结构等方式，抑制sa106b低碳钢不同相间的电偶腐蚀，强化表面氧化膜结构，提高材料的抗腐蚀性能。

技术实现要素：

一种提高sa106b低碳钢管材内壁耐腐蚀性能的喷丸处理方法。hppsp处理后的sa106b低碳钢耐腐蚀性能受内壁粗糙度、晶粒尺寸、材料相变等因素综合影响。通过合理控制喷丸处理工艺参数，可达到提高sa106b低碳钢管材内壁耐腐蚀性能的目的。其特征在于利用hppsp技术对sa106b无缝钢管内壁进行改性，细化珠光体组织、控制晶粒尺寸、改善碳化物尺寸，弱化相间电位差，有效地抑制电偶腐蚀。同时hppsp处理可细化材料内壁的晶粒，增加氧化膜形核点并引入毛细作用力，增加氧化膜的粘附性，达到提高sa106b低碳钢耐腐蚀性能的目的。

一种提高sa106b低碳钢管材内壁抗腐蚀性的表面处理方法，其特征在于：

1)准备样品：选取sa106b无缝钢管φ406毫米×21毫米样品；

2)磨光处理：对上述管状样品内壁进行机械磨光，粗糙度达ra0.1；

3)清洗处理：使用高压喷枪对钢管内壁进行清洗，清洗剂为60％酒精水溶液；

4)安装样品：将无缝钢管倾斜安装在螺旋推进旋转台上，无缝钢管倾斜角度为与水平方向呈30～70°。旋转台旋转速度为120转/分钟～360转/分钟，推进速度为0.5毫米/分钟。

5)气动喷丸处理：使用高压气动喷丸设备对钢管内壁进行喷丸处理。气动喷头置于水平方向，弹丸材质为gcr15。

6)清洗处理：使用高压喷枪对喷丸处理后的钢管内壁进行清洗，清洗剂为60％酒精水溶液，清洗至内表面洁净光亮。

进一步地，所述的gcr15钢球直径为0.2～1.0毫米；

进一步地，所述的气动喷丸时间为42分钟～126分钟；

进一步地，所述的气动喷丸速度为50米/秒～80米/秒。

一种喷丸前后sa106b低碳钢耐腐蚀性能测试方法一，其特征在于：

在sa106b钢管内壁切割相同尺寸喷丸处理前后的弧面试样，使用硅胶进行密封，仅露出内弧面作为测试面，进行极化曲线测试；将试样浸入以1:1比例混合的0.2mol/lnacl+0.05mol/lna2so4溶液中20分钟，获得稳定的开路电位，然后测试极化曲线。电化学工作站扫描范围为-1.2v～0v，扫描速率为20mv/分钟。

由图1可见，喷丸处理后试样的自腐蚀电流密度从喷丸处理前的1.982×10^-5a/cm²降低到7.780×10^-6a/cm²，腐蚀电位从-620mv提高到-588mv，耐腐蚀性能得到显著的提高。

喷丸前后sa106b低碳钢耐腐蚀性能测试方法二，其特征在于：

在sa106b钢管内壁切割相同尺寸喷丸处理前后的弧面试样，使用硅胶进行密封，仅露出内弧面作为测试面，进行交流阻抗测试。将试样浸入以1:1比例混合的0.05mol/lh2so4+0.05mol/lna2so4溶液中20分钟，获得稳定的开路电位，然后利用电化学工作站进行交流阻抗测试。在开路电位下，施加的扰动电位幅值为10mv，频率扫描范围为100khz～10mhz。由图2可见，hppsp处理前后的低碳钢试样具有相似的阻抗特征，均表现出高频容抗弧和低频感抗弧特性。腐蚀阻抗图谱中显示容抗弧越大，耐蚀性越好。阻抗谱半径减小，表明钝化膜的保护性降低，对侵蚀性离子的抵抗能力减弱。根据拟合结果，hppsp处理后碳钢表面氧化膜的阻抗由9.288ω/cm²提高到117.8ω/cm²，氧化膜的抗腐蚀性得到显著的提高。

本发明的有益效果在于：设备简单，价格低廉，效率高，适用范围广。可针对核电关键结构管状材料的内壁进行强化处理，设计不同的喷丸工艺，通过控制晶粒度、相组成等微观特征，达到有效改善sa106b低碳钢耐腐蚀性能的目的。

附图说明

图1是hppsp处理前后sa106b低碳钢试样的极化曲线图(实施例1)。可见，腐蚀电位从-620mv提高到-588mv，耐腐蚀性能得到显著的提高。

图2是hppsp处理前后sa106b低碳钢试样的交流阻抗图(实施例1)。hppsp处理后碳钢表面氧化膜的阻抗由9.288ω/cm²提高到117.8ω/cm²，氧化膜的抗腐蚀性得到显著的提高。

图3是hppsp处理前sa106b低碳钢试样表面的珠光体与铁素体形貌(实施例1)。

图4是hppsp处理后sa106b低碳钢试样表面的珠光体与铁素体形貌(实施例1)。

具体实施方式：

实施例1

选取φ406毫米×21毫米的sa106b无缝钢管，磨光处理至内壁粗糙度达ra0.1。使用高压喷枪对钢管内壁进行清洗，清洗剂为60％酒精水溶液。将无缝钢管倾斜安装在匀速旋转台上，旋转速度120转/分钟，倾斜角度为与水平方向呈30°。使用高压气动喷丸设备对钢管内壁进行喷丸处理。钢球为直径1.0毫米的gcr15钢球，气动喷头置于水平方向。喷丸速度为50米/秒，喷丸时间为42分钟。得到平均晶粒尺寸为80nm、珠光体宽度约为100nm、碳化物尺寸约为10nm、马氏体相体积分数含量约为2％的样品。将喷丸处理前后的sa106b低碳钢样品制备成电化学试样，使用丙酮和酒精清洗待测面。将试样浸入1:1比例混合的0.2mol/lnacl+0.05mol/lna2so4溶液中20分钟，获得稳定的开路电位，然后测试极化曲线与交流阻抗曲线。极化曲线扫描范围为-1.2v～0.0v，扫描速率为20mv/分钟。交流阻抗施加的扰动电位幅值为10mv，频率扫描范围为100khz～10mhz。结果显示，喷丸处理后的自腐蚀电流密度从喷丸处理前的1.982×10^-5a/cm²降低到7.780×10^-6a/cm²，腐蚀电位从-620mv提高到-588mv，碳钢表面氧化膜的阻抗由喷丸处理前的9.288ω/cm²提高到117.8ω/cm²，hppsp处理显著提高了sa106b低碳钢的耐腐蚀性能。

实施例2

选取φ406毫米×21毫米的sa106b无缝钢管，磨光处理至内壁粗糙度达ra0.1。使用高压喷枪对钢管内壁进行清洗，清洗剂为60％酒精水溶液。将无缝钢管倾斜安装在匀速旋转台上，旋转速度240转/分钟，倾斜角度为与水平方向呈45°。使用高压气动喷丸设备对钢管内壁进行喷丸处理。钢球为直径0.6毫米的gcr15钢球，气动喷头置于水平方向。喷丸速度为70米/秒，喷丸时间为84分钟。得到平均晶粒尺寸为40nm、珠光体宽度约为80nm、碳化物尺寸约为6nm、马氏体相体积分数含量约为4％的样品。将喷丸处理前后的sa106b低碳钢样品制备成电化学试样，使用丙酮和酒精清洗待测面。将试样浸入1:1比例混合的0.2mol/lnacl+0.05mol/lna2so4溶液中20分钟，获得稳定的开路电位，然后测试极化曲线与交流阻抗曲线。极化曲线扫描范围为-1.2v～0.0v，扫描速率为20mv/分钟。交流阻抗施加的扰动电位幅值为10mv，频率扫描范围为100khz～10mhz。结果显示，喷丸处理后的自腐蚀电流密度从喷丸处理前的1.982×10^-5a/cm²降低到8.496×10^-6a/cm²，腐蚀电位从-620mv提高到-563mv，碳钢表面氧化膜的阻抗由喷丸处理前的9.288ω/cm²提高到102.0ω/cm²，hppsp处理显著提高了sa106b低碳钢的耐腐蚀性能。

实施例3

选取φ406毫米×21毫米的sa106b无缝钢管，磨光处理至内壁粗糙度达ra0.1。使用高压喷枪对钢管内壁进行清洗，清洗剂为60％酒精水溶液。将无缝钢管倾斜安装在匀速旋转台上，旋转速度360转/分钟，倾斜角度为与水平方向呈70°。使用高压气动喷丸设备对钢管内壁进行喷丸处理。钢球为直径0.2毫米的gcr15钢球，气动喷头置于水平方向。喷丸速度为80米/秒，喷丸时间为126分钟。得到平均晶粒尺寸为35nm、珠光体宽度约为63nm、碳化物尺寸约为6nm、马氏体相体积分数含量约为5％的样品。将喷丸处理前后的sa106b低碳钢样品制备成电化学试样，使用丙酮和酒精清洗待测面。将试样浸入1:1比例混合的0.2mol/lnacl+0.05mol/lna2so4溶液中20分钟，获得稳定的开路电位，然后测试极化曲线与交流阻抗曲线。极化曲线扫描范围为-1.2v～0.0v，扫描速率为20mv/分钟。交流阻抗施加的扰动电位幅值为10mv，频率扫描范围为100khz～10mhz。结果显示，喷丸处理后的自腐蚀电流密度从喷丸处理前的1.982×10^-5a/cm²降低到8.899×10^-6a/cm²，腐蚀电位从-620mv提高到-580mv，碳钢表面氧化膜的阻抗由喷丸处理前的9.288ω/cm²提高到86.3ω/cm²，hppsp处理提高了sa106b低碳钢的耐腐蚀性能。