水下摩擦螺柱焊接頭在模擬海水中的耐蝕性能研究

謝小輝，戴 婷，馬 剛，顧艷紅*，高 輝，焦向東

(1.北京石油化工學(xué)院，深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617；2.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

海洋工程鋼結(jié)構(gòu)連接技術(shù)和安全保障是業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一[1-3]。而英國焊接研究所(TWI)發(fā)明的摩擦螺柱焊(FSW)技術(shù)由于不采用電弧加熱，使得焊接接頭受環(huán)境壓力變化的影響較小，所以特別適合水下作業(yè)，從而在行業(yè)內(nèi)得到快速發(fā)展[4-5]。隨著摩擦螺柱焊技術(shù)的日漸成熟，歐美、巴西、日本等國針對FSW技術(shù)在水下的應(yīng)用展開了一系列研究[6-7]。國內(nèi)一些高校的科研人員也在摩擦螺柱焊領(lǐng)域進(jìn)行了研究。南京理工大學(xué)的科研人員[8-10]對FSW的焊接工藝、接頭組織、力學(xué)性能及裝備進(jìn)行了初步研究。天津大學(xué)的科研人員[11]采用2種海洋用鋼DH36和X65在空氣和水介質(zhì)中分別制備了FSW接頭，并對FSW接頭的微觀組織、力學(xué)性能及焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響進(jìn)行了初步探索。北京石油化工學(xué)院的馬慧娟等[1，12]采用微區(qū)電化學(xué)系統(tǒng)對焊接接頭進(jìn)行微區(qū)SVET 和LEIS 實(shí)驗(yàn)，對FSW接頭的金相顯微組織結(jié)構(gòu)和腐蝕機(jī)理進(jìn)行了研究；徐亞國等[13-17]對FSW設(shè)備和工藝進(jìn)行了大量研究，但對業(yè)界所關(guān)注的FSW接頭在水下的耐蝕性的研究還很少。

因此筆者以X65鋼為焊接基板，16Mn鋼為螺柱，制備FSW接頭，研究了在模擬海水環(huán)境下FSW接頭的電化學(xué)腐蝕性能。利用光學(xué)顯微鏡觀測FSW接頭在模擬海水環(huán)境下腐蝕不同時間后的宏觀和微觀金相，分析FSW接頭在模擬海水環(huán)境下的腐蝕情況，為企業(yè)對FSW在水下的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 FSW接頭的制備

以X65管線鋼為基體，16Mn鋼為塞棒，利用北京石油化工學(xué)院自主研發(fā)的摩擦螺柱焊接設(shè)備確定最佳焊接參數(shù)(旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給速度和軸向壓力)，如表1所示。

表1 最佳焊接參數(shù)Table 1 Optimal welding parameters

1.2 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

配置3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaCl溶液來模擬海水環(huán)境。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)(AMETEK， VersaSCAN， USA)采用三電極的電化學(xué)體系，參比電極(Re)為飽和甘汞(SCE)，輔助電極(Ce)為鉑片(尺寸為1 cm×1 cm)。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，在500 mLNaCl溶液中進(jìn)行試驗(yàn)，測得其OCP、EIS和PDP。開路電位測量時間為30 min，交流阻抗的頻率測試范圍是10-2～105Hz，動電位極化曲線測試區(qū)間與開路電位相比在±0.5 V之間，掃描速率為0.25 mV·s，并選取前1 000個點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。共測量4組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的采集間隔為2 h，每組的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量后需要對每組試件的宏觀和微觀形貌進(jìn)行金相觀察。

1.3 樣品的表征

利用金相顯微鏡(Nikon，ECLIPSE，MA200)對在不同條件下腐蝕的試件進(jìn)行宏觀金相實(shí)驗(yàn)和微觀金相實(shí)驗(yàn)，先根據(jù)宏觀金相簡單地分析試件表面的直觀腐蝕形貌，再通過分析試件微觀金相便可得到試件的腐蝕規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 開路電位

FSW接頭試件在模擬海水環(huán)境中腐蝕2、4、6、8 h的開路電位如圖1所示。

由圖1中可以看出，隨著FSW接頭在模擬海水溶液中腐蝕時間的增加，F(xiàn)SW接頭試件在模擬海水溶液中的開路電壓更正，說明隨著腐蝕時間的增加，試件表面的腐蝕產(chǎn)物具有一定減緩試件腐蝕的作用。但FSW接頭試件在模擬海水溶液中腐蝕8 h的開路電壓明顯比腐蝕6 h的更負(fù)，說明隨著腐蝕時間的增加試件表面的腐蝕產(chǎn)物也開始被腐蝕。

2.2 電化學(xué)阻抗譜

FSW接頭試件在模擬海水中腐蝕不同時間后的Nyquist圖和Bode圖如圖2所示。

由圖2(a)中可以看出，F(xiàn)SW接頭在模擬海水中腐蝕所得的曲線半徑隨著腐蝕時間的增加而變小。同時根據(jù)圖2(b)可知，F(xiàn)SW接頭在模擬海水溶液中腐蝕所得的總阻抗值的變化與Nyquist圖的數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致。

FSW接頭試件在模擬海水溶液中實(shí)驗(yàn)的Nyquist數(shù)據(jù)進(jìn)行等效電路擬合，結(jié)果如圖3所示，其中：Rs為溶液電阻；CPE為常相位角原件；Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻。FSW接頭在有無飽和CO2環(huán)境中腐蝕不同時間的等效電路擬合結(jié)果如表2所示。

表2 FSW接頭在模擬海水中等效電路的擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of equivalent circuit of FSW connector in simulated seawater

由表2可以看出，F(xiàn)SW接頭在模擬海水中的極化阻抗先變小后增大，腐蝕2、4、6 h和8 h后，F(xiàn)SW接頭的極化阻抗分別為1 947、1 095、987 Ω·cm2和1 027 Ω·cm2，說明腐蝕產(chǎn)物會減緩FSW接頭的腐蝕。同時擬合得到的總阻抗值與Bode圖中所反映的總阻抗值大致相等，說明等效電路擬合是合格的。

2.3 極化曲線

FSW接頭試件在模擬海水中腐蝕不同時間的Tafel圖如圖4所示； FSW接頭試件在模擬海水中腐蝕不同時間的Tafel擬合結(jié)果如表3所示。

表3 FSW接頭在模擬海水中腐蝕不同時間后的Tafel擬合結(jié)果Table 3 Tafel fitting results of FSW joints corroded in simulated seawater for different time

由圖4和表3中可以看出，F(xiàn)SW接頭在模擬海水中腐蝕時間越久，F(xiàn)SW接頭的腐蝕電流密度越大；腐蝕2 h時，F(xiàn)SW接頭腐蝕電流密度為3.492 μA/cm2；腐蝕6 h時，F(xiàn)SW接頭的腐蝕電流密度為3.869 μA/cm2。隨著FSW接頭在模擬海水中腐蝕時間的增加，F(xiàn)SW接頭的腐蝕電位先變正再變負(fù)，說明腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生會減緩FSW接頭的腐蝕。

2.4 腐蝕形貌

2.4.1 腐蝕宏觀形貌

FSW接頭在模擬海水溶液中腐蝕不同時間的的宏觀形貌如圖5所示。

由圖5中可以看出，隨著FSW接頭在模擬海水溶液中腐蝕時間的增長，F(xiàn)SW接頭的腐蝕情況越嚴(yán)重，但與腐蝕6 h的相比，腐蝕8 h的腐蝕情況較輕，這與腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生有關(guān)，腐蝕產(chǎn)物減緩了FSW接頭的腐蝕。

2.4.2 腐蝕微觀形貌

FSW接頭在模擬海水溶液中腐蝕8 h的塞棒區(qū)、上熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、下熱影響區(qū)和母材區(qū)的微觀形貌如圖6所示。

由圖6中可以看出，F(xiàn)SW接頭在模擬海水溶液中腐蝕8 h后，F(xiàn)SW接頭的塞棒區(qū)己經(jīng)被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，腐蝕十分嚴(yán)重，原始的組織相貌已無法分辨；而上熱影響區(qū)、下熱影響區(qū)和母材區(qū)的腐蝕情況則相對較輕，焊縫區(qū)耐腐蝕最好，微觀金相圖所體現(xiàn)的整體腐蝕情況和電化學(xué)的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

(1)在模擬海水溶液中腐蝕時間越久，F(xiàn)SW接頭的腐蝕阻抗值變小，F(xiàn)SW接頭的腐蝕電流密度越大。

(2)FSW接頭在模擬海水中的極化阻抗值先變小后增大，F(xiàn)SW接頭的腐蝕電位先變正再變負(fù)，說明腐蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生會減緩FSW接頭的腐蝕。

(3)從腐蝕形貌來看，宏觀金相中，隨著FSW接頭在模擬海水溶液中腐蝕時間的增加，F(xiàn)SW接頭腐蝕越嚴(yán)重，但是與腐蝕6 h相比，腐蝕8 h后的腐蝕程度較輕，說明腐蝕產(chǎn)物的出現(xiàn)減緩了試件的腐蝕速率；微觀金相中FSW接頭明顯在塞棒區(qū)腐蝕更嚴(yán)重，焊縫區(qū)耐腐蝕最好，主要是因?yàn)樵谥苽涞倪^程中產(chǎn)生的高溫改變了材料的性質(zhì)，焊縫區(qū)組織比較致密平滑。