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旋涡流速仪在四氧化二氮系统中腐蚀产物的分析

时间:2021-07-09
旋涡流速仪在四氧化二氮系统中腐蚀产物的分析
文摘:航天发射场加注库房数字式涡街流量计长期在四氧化二氮加注系统中使用,会导致表面产生腐蚀产物,使其精度和精度发生变化,从而影响加注量。用FEI场发射电子扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)和X射线光电子能谱仪(XPS)对腐蚀产物的表面形貌、成分含量及其存在形态等进行了表征。研究发现,腐蚀表面由内结合较致密的黑色和黄色腐蚀产物组成,两者都含有N、O、Cr、Fe、Ni等元素,但黄色腐蚀产物中N、O含量较高,腐蚀较严重。其腐蚀产物主要以Fe2O3、Cr2O3、Ni2O3等形式存在,腐蚀过程中有化学和电化学腐蚀,但主要是化学腐蚀。
开场白。
四氧化二氮具有很强的氧化性,常作为一种液体推进剂组元广泛应用于空间运载火箭、导弹、鱼雷、姿态控制、反作用控制和轨道控制等领域[1-4]。四氧化二氮具有强腐蚀性、低沸点、高毒性等特点,其腐蚀程度与含水量、温度、压力等因素密切相关,一般随含水量的增加或温度的升高腐蚀程度增大。当前,在生产、运输、转运、储存和使用过程中,四氧化二氮都选用了一级兼容材料,但由于生产工艺、环境变化、操作不当、设备老化等因素的影响,配伍材料也有腐蚀破坏和泄漏的危险。
四氧化二氮在空间加注系统中的腐蚀通常会造成两方面的危害,一方面腐蚀会加速材料(如贮罐、管道、阀门、加注泵、流量计等)的破坏和变质,降低材料寿命,衰减推进剂流速,甚至导致加注管道、阀门等的破裂泄漏,严重威胁人员健康和环境安全[5-8];另一方面,腐蚀会引起四氧化二氮组分含量的变化,不仅降低了液体火箭发动机的性能,而且增加了经济成本,甚至影响了航天发射的成败[5-8]。由于这个原因,国内外对四氧化二氮腐蚀的研究非常重视。主要研究内容有[10-11]四氧化二氮腐蚀规律、蒸发特性[12]、与不同材料的相容性[13-14]和材料储存寿命预测[15]、腐蚀试验方法[8]和涂层保护[16]等多方面,这对预防或降低四氧化二氮腐蚀危害具有重要意义。
因此,本文针对四氧化二氮环境中产生的腐蚀产物进行分析,探讨其腐蚀形成机理,以期减少甚至避免腐蚀产物对加注系统的危害,并为四氧化二氮与其它相容材料的腐蚀发生提供理论依据。
试验一。
1.1样品的加工。
首先,把长期使用过的不锈钢材料DY数字涡街流量计从加氮系统中卸下,再用线切割SC涡街流量计样品切成小块,用小刀分别剥去表面不同颜色的腐蚀产物,并分别对SC涡街流量计样品和腐蚀产物进行检测分析。
1.2样品的检验。
利用FEI公司QUANTAFEG450型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察数字式三畅涡街流量计表面剥落的黑色和黄色腐蚀产物的表面形貌,利用自带的能谱分析仪(EDAX)对腐蚀产物的元素成分进行分析。试验条件:试验电压20kV,光斑大小6.00μ,工作距离10mm;采用PHI5000VersaprobeIII射线电子能谱仪(XPS)分析腐蚀产物的存在形态,试验采用Al靶。
2结果和讨论。
2.1SEM分析。
旋涡流量计用于中长期的四氧化二氮加注系统,其表面存在一定厚度且分布不均匀的黑色、黄色腐蚀产物,黑色腐蚀产物的数量也较多。从涡街流量计表面剥离并进行SEM分析,以观察腐蚀产物的微观表面形貌,结果表明其形貌如图1。
从图1可以看出,黑色腐蚀产物以片层状为主,而黄色腐蚀产物为块状,但二者内部结合比较紧密,没有大的孔洞或裂纹,说明腐蚀产物可以聚集,并形成大的颗粒,但由于腐蚀产物的形态不同,腐蚀产物形态不同,腐蚀产物形态不同。
发令枪-
2.2EDAX分析。
对涡街流量计的不锈钢基座和腐蚀产物在图1中的EDAX进行分析,结果见图2、1。不锈钢基底含有C、O、Si、Mo、Ca、Cr、Fe、Ni等元素;黑色腐蚀产物中含有C、N、O、Al、Si、Mo、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni等元素;黄色腐蚀产物C、N、O、Na、Mg、Al、Ca、Cr、Fe、Ni元素。在腐蚀产物中N、Al、Mn等元素增加,而黄色腐蚀产物中N、Al、Na、Mg、Al等元素含量增加,这两种腐蚀产物共同导致N、Al含量增加。在这些条件下,氮素是四氧化二氮参与反应所产生的产物,而Al元素则可能来自周围环境,如水中杂质代入,黄色腐蚀产物中Na、Mg的存在可为其提供佐证。不锈钢基底N含量、O含量、Cr含量、Fe含量、Ni含量的原子百分比分别为0%、2.82%、17.45%、59.94%、7.40%;黑色腐蚀产物中的氮含量、O含量、Cr含量、Fe含量、Ni含量的原子百分比分别为3.37%、16.23%、15.57%、47.24%、5.65%、17.38%、68.93%、0.33%、3.83%、0.51%、0.33%、3.83%、0.51%。结果表明,与无N元素的不锈钢基底相比,黑色腐蚀产物和黄色腐蚀产物的N和O含量较高,但Cr、Fe和Ni含量较低,黄色腐蚀产物N、O含量较低,较黑色腐蚀产物中N、O含量较低。能谱结果显示N。

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