碳鋼管線焊接接頭的電化學(xué)腐蝕行為研究

李維鋒， 孫紫麾， 陳 英，舒欣欣，許 威， 楊 鵬，毛曉軍，楊壽海，徐連勇，韓永典，路永新

(1.海洋石油工程股份有限公司建造公司焊接試驗(yàn)室,天津300452；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津300072)

碳鋼管線焊接接頭的電化學(xué)腐蝕行為研究

李維鋒1， 孫紫麾1， 陳 英1，舒欣欣1，許 威1， 楊 鵬1，毛曉軍1，楊壽海1，徐連勇2，韓永典2，路永新2

(1.海洋石油工程股份有限公司建造公司焊接試驗(yàn)室,天津300452；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津300072)

母材選用A106B管線鋼,焊絲選用2.4 mm的實(shí)芯焊絲ER70S-G，使用兩種焊接工藝（GTAW+SMAW和GTAW）進(jìn)行鋼管對接焊，試樣焊接前后均無熱處理。通過對焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)和母材的極化曲線測量，研究了兩種焊接工藝所得焊接接頭各區(qū)域的腐蝕行為。結(jié)果表明，兩種接頭不同區(qū)域的耐蝕性為：母材＞熱影響區(qū)＞焊縫。

碳鋼管；焊接接頭；CO2腐蝕；極化曲線

0 前 言

焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)中的油氣管線連接，但管線焊接接頭在工作過程中常受到腐蝕的影響，造成失效進(jìn)而引發(fā)生產(chǎn)事故[1-6]，因而有必要對焊接接頭的耐蝕性進(jìn)行研究。虞毅[7]等人對X65/316L機(jī)械復(fù)合管焊接接頭CO2腐蝕行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)接頭腐蝕速率隨溫度升高不斷增加。胡麗華[8]等人研究了3Cr低合金管線鋼及焊接接頭的CO2腐蝕行為，結(jié)果表明在CO2腐蝕介質(zhì)中，3Cr低合金管線鋼焊接接頭的母材區(qū)域先發(fā)生腐蝕,焊縫和熱影響區(qū)受到保護(hù)。畢宗岳[9-10]等人用微電極掃描法研究了HFW焊縫溝槽腐蝕敏感性，結(jié)果表明焊縫區(qū)腐蝕電流較大且分布不均勻，易發(fā)生溝槽腐蝕。盡管有文獻(xiàn)研究了焊接接頭腐蝕行為，但關(guān)于接頭各區(qū)域電化學(xué)腐蝕的研究較少。本研究從接頭各區(qū)域的組織出發(fā)，通過各自極化曲線的測量研究焊接接頭腐蝕特點(diǎn)，這對于保證碳鋼鋼管焊接接頭的現(xiàn)場焊接施工質(zhì)量及管線安全運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及試驗(yàn)方法

母材選用A106B管線鋼,焊絲選用2.4 mm的實(shí)芯焊絲ER70S-G進(jìn)行GTAW打底焊，其化學(xué)成分見表1。A106B母材為外徑 219.1 mm，壁厚10.3 mm管狀試樣，采用V形坡口，坡口角度為60°，鈍邊1.2 mm。

表1 A106B鋼及焊絲的化學(xué)成分 %

使用兩種焊接工藝（GTAW+SMAW和GTAW）進(jìn)行焊接，試樣焊接前后無熱處理。用碳化硅砂紙對試樣依次從 240，400，600，800，1 200，1 500和2 000逐級打磨，最后用2.5 μm的金剛石拋光劑進(jìn)行拋光。對拋好的試樣用4%的硝酸酒精腐蝕，在OLYMPUS-GX51光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行焊接接頭各部位的顯微組織觀察。

母材和熱影響區(qū)的電化學(xué)試樣為8 mm×8 mm×2 mm，焊縫區(qū)為5 mm×8 mm×2 mm。測試前用SiC水砂紙逐級打磨至1 000號，用蒸餾水清洗，酒精擦拭除油除水，吹干置于干燥箱備用。試驗(yàn)采用Gamry interface 1000型電化學(xué)工作站進(jìn)行動電位極化曲線和電偶電流測試。試樣采用三電極體系，以Ag/AgCl為參比電極，鉑片電極為輔助電極，母材為工作電極，試驗(yàn)溫度為25℃。模擬某油田采出液成 為 NaHCO3（0.337 g·L-1），NaCl（28.234 g·L-1）， KCl（1.047 g·L-1）、 MgCl2·6H2O （1.487g·L-1）， CaSO4·2H2O （1.08 g·L-1），CaCl2·2H2O（2.755 g·L-1）和FeCl2·4H2O（0.125g·L-1）。首先測焊縫、熱影響區(qū)及母材的自腐蝕電位，時間為70 min，之后對試樣從開路電位的-500 mV掃到+500 mV，掃描速度0.167 mV/s進(jìn)行動電位極化曲線測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

A106B管線鋼母材，GTAW+SMAW和GTAW焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織如圖1～圖5所示。從兩種接頭焊縫顯微組織可以看出，GTAW+SMAW接頭焊縫中含有較多的粒狀鐵素體和晶粒邊界鐵素體，少量的針狀鐵素體和珠光體。GTAW接頭焊縫中沒有出現(xiàn)粒狀鐵素體，晶粒邊界鐵素體的量減少，針狀鐵素體的量增加，含有少量珠光體，晶粒尺寸有所減小。從兩種接頭熱影響區(qū)顯微組織圖中可以看出，GTAW+SMAW接頭熱影響區(qū)與焊縫組織差異較小。GTAW接頭熱影響區(qū)中針狀鐵素體含量增加，甚至出現(xiàn)大量魏氏組織。母材為典型的鐵素體+珠光體組織。

圖2 GTAW+SMAW焊縫顯微組織

圖3 GTAW熱影響區(qū)顯微組織

圖4 GTAW+SMAW熱影響區(qū)顯微組織

圖5GTAW焊縫顯微組織

2.2 動電位極化曲線

圖6 為兩種焊接工藝下所得焊接接頭各區(qū)域在模擬油田輸出液中的極化曲線，表2為極化曲線相關(guān)參數(shù)。分析可知母材的腐蝕電位最小，熱影響區(qū)的腐蝕電位最大，焊縫腐蝕電位位于中間。即母材腐蝕的熱力學(xué)傾向最大，熱影響區(qū)腐蝕的熱力學(xué)傾向最小。分析腐蝕電流可知兩種焊接接頭母材腐蝕電流最小，焊縫腐蝕電流最大，熱影響區(qū)腐蝕電流位于中間。即母材腐蝕的動力學(xué)最小，腐蝕速度最慢；焊縫腐蝕的動力學(xué)最大，腐蝕速度最快。即母材＞熱影響區(qū)＞焊縫。

圖6 焊接接頭各區(qū)域極化曲線

表2 極化曲線參數(shù)

3 結(jié) 論

（1）兩種焊接工藝所得焊縫組織均為鐵素體+珠光體，GTAW+SMAW接頭熱影響區(qū)組織與焊縫組織相近，GTAW接頭熱影響區(qū)組織與焊縫組織差異較大，且出現(xiàn)大量魏氏組織。

（2）在模擬油田輸出液中，兩種接頭不同區(qū)域腐蝕熱力學(xué)傾向從小到大依次為：熱影響區(qū)<焊縫<母材；兩種接頭不同區(qū)域腐蝕動力學(xué)速度從小到大依次為：母材<熱影響區(qū)<焊縫。接頭不同區(qū)域的耐蝕性：母材＞熱影響區(qū)＞焊縫。

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［7］虞毅,徐連勇,韓永典,等.X65/316L機(jī)械復(fù)合管焊接接頭CO2腐蝕行為研究[J].焊管,2011,34(01):13-16.

［8］胡麗華,張雷,許立寧,等.3Cr低合金管線鋼及焊接接頭的CO2腐蝕行為[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010（03）：345-350.

［9］畢宗岳,任永峰,井曉天.微電極掃描法對HFW焊縫溝槽腐蝕敏感性研究[J].焊管,2011,34(10)：5-8.

［10］吳東澤.含溝槽腐蝕缺陷油管的剩余強(qiáng)度評價(jià)[J].廣州化工， 2014， 42（10）： 86-88.

Research on the Electrochemical Corrosion Behavior of Carbon Steel Pipe Welded Joint

LI Weifeng1,SUN Zimao1,CHEN Ying1,SHU Xinxin1,XU Wei1,YANG Peng1,MAO Xiaojun1,YANG Shouhai1,XU Lianyong2,HAN Yongdian2,LU Yongxin2
(1.Welding Lab,Construction Company,Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China;2.School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In this article,it used two kinds of welding process(GTAW+SMAW and GTAW）to carry out butt welding for A106B pipeline steel,selecting 2.5 mm solid core welding wire of ER70S-G,without heat treatment for test sample before and after welding.Through polarization curve measurement for welded joint weld,HAZ and base metal,the corrosion behavior of welded joints various regions under two welding process were studied.The results showed that the corrosion resistance of two kinds of welded joints various regions are as follows:the base metal>HAZ>weld.

carbon steel pipe;welded joints;CO2corrosion;polarization curve

TE988.2

B

1001－3938（2015）05-0046-04

李維鋒（1981—），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向是海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接。

2014-11-18

羅 剛