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          渦街流量計在四氧化二氮加注中腐蝕產物分析
          發布時間:2021-8-5 08:54:17

          摘要:航天發射場加注庫房數字式渦街流量計在四氧化二氮加注系統中長期使用,會致使其表面形成一定的腐蝕產物,改變其精度與準確性,進而影響加注量。為探討其腐蝕產物的成分及形成機理,采用FEI場發射電子掃描電鏡(SEM)、能譜分析儀(EDAX)和X射線光電子能譜儀(XPS)分別對腐蝕產物的表面形貌、組成含量及其存在形態進行了表征。結果表明,腐蝕表面由內部結合較為致密的黑色和黃色腐蝕產物構成,兩者均含有N、O、Cr、Fe、Ni等元素,但黃色腐蝕產物的N含量和O含量相對更高,腐蝕更為嚴重。腐蝕產物主要以Fe2O3、Cr2O3、Ni2O3等金屬氧化物形式存在,腐蝕過程同時含有化學腐蝕和電化學腐蝕,但以化學腐蝕為主。
          0引言
            四氧化二氮具有強氧化性,常作為液體推進劑的一種氧化劑組元在空間運載火箭、導彈、魚雷、姿態控制、反作用控制以及軌道控制等方面廣泛應用[1-4]。同時,四氧化二氮還具有腐蝕性強、沸點低和毒性大等特點,其腐蝕性大小與水含量、溫度和壓力等因素密切相關,一般隨著水含量的增加或溫度的升高,其腐蝕性逐漸增強。目前,四氧化二氮在生產、運輸、轉注、貯存和使用過程中均選用一級相容材料,但受生產工藝、環境變化、操作不當及設備老化等因素影響,相容材料也存在腐蝕破壞和泄漏等風險。
            在航天加注系統中,四氧化二氮腐蝕的發生通常會造成兩方面的危害,一方面腐蝕會加速接觸材料(如貯罐、管路、閥門、加注泵、流量計等)的破壞和變質,降低材料壽命,衰減推進劑流量,甚至導致加注管路和閥門等的破裂泄漏,嚴重威脅人員健康和環境安全58];另一方面,腐蝕會引起四氧化二氮組分含量的變化,不僅降低液體火.箭發動機性能,而且增加經濟成本,甚至影響航天發射成敗5.日。正因如此,國內外對四氧化二氮的腐蝕研究十分重視。研究內容主要包括四氧化二氮的腐蝕規律0040!、蒸發特性02與不同材料的相容性[134以及材料的貯存壽命預測5、腐蝕試驗方法8與涂層防護[6等多方面,這對預防或降低四氧化二氮腐蝕危害具有重要意義。
            為此,本文以加注庫房數字式渦街流量計為研究對象,對其在四氧化二氮環境中形成的腐蝕產物進行分析,探討其腐蝕形成機理,以期降低甚至避免四氧化二氮腐蝕產物對加注系統造成的危害,確保航天加注系統的安全,同時也為四氧化二氮與其他相容材料的腐蝕發生提供理論借鑒。
          1實驗
          1.1試樣處理
            先將長期服役的不銹鋼材質的DY數字式渦街流量計從四氧化二氮加注系統中卸下,然后采用線切割將渦街流量計試樣切割成若干小塊,并用小刀將其表面不同顏色的腐蝕產物分別進行剝離和收集,隨后對去除腐蝕產物的小塊基底試樣和收集的腐蝕產物進行檢測分析。
          1.2試樣檢測
            采用FEI公司QUANTAFEG450型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察數字式渦街流量計表面剝離的黑色和黃色腐蝕產物的表面形貌,并用其自帶的能譜分析儀(EDAX)分析腐蝕產物的元素組成含量。測試條件:測試電壓20kV,光斑尺寸6.00μm,工作距離10mm;采用PHI5000VersaprobeII射線電子能譜儀(XPS)分析腐蝕產物的存在形態,試驗使用Al靶。
          2結果與討論
          2.1SEM分析
            渦街流量計在四氧化二氮加注系統中長期使用,其表面存在一定厚度且分布不均的黑色和黃色腐蝕產物,黑色腐蝕產物數量明顯更多。為了觀察腐蝕產物的微觀表面形貌,將其從渦街流量計表面剝離并進行SEM分析,其形貌如圖1所示。
            由圖1可見,黑色腐蝕產物主要呈片層狀,而黃色腐蝕產物呈塊狀,但兩者內部結合均較為緊密,無大的孔洞或裂紋,表明腐蝕產物能夠聚集,且形成大的顆粒物,但由于參與反應元素含量不同,腐蝕程度不同,導致腐蝕產物形態差異。
           
          2.2EDAX分析
            將渦街流量計的不銹鋼基底和圖1中的腐蝕產物進行EDAX分析,其測試結果如圖2和表1所示?梢钥闯,不銹鋼基底含有C、O、Si、Mo、Ca、Cr、Fe、Ni元素;黑色腐蝕產物含有C、NO、Al、Si、Mo、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni元素;黃色腐蝕產物含有C、N、0、Na、Mg、Al、Ca、Cr、Fe、Ni元素。與不銹鋼基底相比.黑色腐蝕產物主要增加了N、Al.Mn元素;黃色腐蝕產物主要增加了N、Na、Mg、Al元素.兩者腐蝕產物共網增加了N和A1元素。其中.N元素直接來源于四氧化二氮參與反應形成的含N產物,而A1元素很可能來自周圍環境。比如水中的雜質代入等。黃色腐蝕產物中的Na和Mg的存在可以作為佐證。另外.不銹鋼基底N含量、0含量、Cr含量、Fe含量、Ni含量的原子百分比為0%、2.82%、17.45%、59.94%.7.40%.黑色腐蝕產物和黃色腐蝕產物的N含量、0含量、Cr含量、Fe含量.Ni含量的原子百分比分別為3.37%、16.23%、15.57%.47.24%、5.65%和17.38%.68.93%、0.33%、3.83%.0.51%。由此得出.與不含N元素的不銹鋼基底相比。黑色腐蝕產物和黃色腐蝕產物的N含量和0含量更高.而Cr含量、Fe含量和Ni含量相對更低.同時黃色腐蝕產物的N含量和0含量比黑色腐蝕產物的N含量和O含量要高很多。而Cr含量、Fe含量和Ni含量相對要少很多。能譜結果表明.N元素的參與導致不銹鋼基底表面的腐蝕.而N元素的直接來源是四氧化二氮.其與不銹鋼基底表面在環境因素作用下發生復雜的化學或電化學反應導致N元素進入腐蝕產物中。黃色腐蝕產物比黑色腐蝕產物的腐蝕程度更重.這也表明不銹鋼基底表面的腐蝕程度與進入腐蝕產物中的N含量有關。由于四氧化二氮本身不與干燥的不銹鋼反應,故存在某種中間反應物質.該物質含量越高.不銹鋼基底表面腐蝕越嚴重。
           
           
          2.3XPS分析
            將渦街流量計的不銹鋼基底和黑色腐蝕產物進行XPS分析,其測試結果如圖3所示。由圖3可見,不銹鋼基底含有C、Ca、O、Fe、Mn、Ni、Cr等元素;黑色腐蝕產物含有Si、S、C、Ca、N、O、Cr、Fe、Mn、Ni等元素。N元素的分析與EDAX分析結果一致;Si、大量Fe單質和少量Fe的氧化物形式存在;黑色腐蝕產物中Fe主要以Fe2O3形式存在。不銹鋼基底和黑色腐蝕產物Cr2p3/2的電子結合能分別為574.4eV和576.7eV,與標準圖譜Cr2p32中單質Cr的574.1eV和Cr2O3的576.6eV比較可知,不銹鋼基底中Cr元素主要以單質Cr存在,黑色腐蝕產物中Cr元素以Cr203形式存在。同理分析,黑色腐蝕產物中Ni元素以Ni2O3形式存在。黑色腐蝕產物中NIs的電子結合能為398.0eV,與NH.NO,的電子結合能398.5eV相對接近,故黑色腐蝕產物中N元素最可能以NO,形式存在。
           
          2.4腐蝕產物形成機理探討
            液態四氧化二氮在加注系統中存在著NO4→2NO2的化學反應平衡,這個平衡反應強烈依賴于內部環境溫度,且隨著內部環境溫度的升高,NO2的含量顯著增加7。當渦街流量計表面與N2O2液體長時間接觸時,特別是在室溫下長期放置或氣候變化導致的環境溫度升高,均會促使NO2含量的增加。在加注系統密閉性不好的情況下,環境中的水分進人加注系統,導致四氧化二氮中相當水含量的升高,甚至可能高于《四氧化二氮規范》中規定相當水含量的0.15%[18)。
            由于NO2與H20發生化學反應,生成HNO,和NO。溫度升高,四氧化二氮中水含量加大,這會導致HNO3含量增加,增加的HNO3含量會加速不銹鋼基底的金屬溶出,作用結果形成大量的金屬硝酸鹽。與此同時,由于不銹鋼含有0、Fe、Ni、Cr等元素,且各個.元素電化學性質存在差異,使得某些金屬元素在HNO3的酸性環境條件下也會發生--定的電化學反應,形成某些金屬離子,這些金屬離子與硝酸根作用也會形成相應的金屬硝酸鹽,但電化學反應與化學溶解反應相比相對較弱,起著次要的作用。這些反應共同作用形成的金屬硝酸鹽在液態四氧化二氮環境中的溶解度很低,使得金屬硝酸鹽會在渦街流量計的表面結晶析出,時間越久,析出物越多,也越容易聚集形成大量的片狀或塊狀的腐蝕產物.這些腐蝕產物在空氣中氧氣的作用下,便會氧化形成各種金屬氧化物,SEM、EDAX和XPS分析證明了,上述推斷結果。
          3結論
            通過對航天發射場加注庫房數字式渦街流量計表面腐蝕產物進行FEI場發射電子掃描電鏡(SEM)、能譜分析儀(EDAX)和X射線光電子能譜儀(XPS)分析,確定腐蝕產物為分布不均但內部結構較為致密的片層狀黑色腐蝕產物和塊狀黃色腐蝕產物兩種構成,腐蝕過程包含化學腐蝕和電化學腐蝕,但以化學腐蝕為主。兩種腐蝕產物均含有N,0.Cr.Fe、Ni等元素,但黃色腐蝕產物的N含量和0含量相對更高.腐蝕更為嚴重。渦街流量計表面的黑色腐蝕產物主要以Fe2O,、C203、Ni;O,等金屬氧化物形式存在,可能含有一定的NO;。在四氧化二氮長期貯存過程中,加注系統密封不好,會導致加注系統中的HNO3含量增加,進而加速渦\街流量計表面的腐蝕。

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