激光沖擊對X70焊接接頭慢拉伸電化學腐蝕的影響

孔德軍，吳永忠，龍 丹

(常州大學機械工程學院，江蘇常州213016，E-mail:kong-dejun@163.com)

激光沖擊對X70焊接接頭慢拉伸電化學腐蝕的影響

孔德軍，吳永忠，龍 丹

(常州大學機械工程學院，江蘇常州213016，E-mail:kong-dejun@163.com)

為了改善X70管線鋼焊接接頭慢拉伸電化學腐蝕性能，用激光沖擊波對X70管線鋼焊接接頭表面進行強化處理.采用慢應(yīng)變速率拉伸法分析了X70管線鋼焊接接頭，在不同H2S濃度的NACE溶液(0.5% HAC+5%NaCl)中電化學腐蝕行為，測試了激光沖擊處理前后X70管線鋼焊接接頭腐蝕電位，討論了激光沖擊處理對X70管線鋼焊接接頭腐蝕電位和斷口形貌的影響.實驗結(jié)果表明，激光沖擊處理改善了X70管線鋼焊接接頭腐蝕性能，其SCC敏感性指數(shù)Iscc降低了6%.經(jīng)激光沖擊處理后試樣自然腐蝕電位正移，極化電阻逐漸增大，其耐蝕性比原始狀態(tài)有所提高.

激光沖擊處理;X70管線鋼;焊接接頭;慢拉伸;電化學腐蝕

X70管線鋼是國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的管線鋼之一，具有優(yōu)良的綜合性能，目前主要應(yīng)用于西氣東輸二線工程中的干線［1-2］.材料電化學腐蝕是影響管道系統(tǒng)可靠性及使用壽命的關(guān)鍵因素，其中，H2S應(yīng)力腐蝕是管線鋼腐蝕的重要形式之一［3］.金屬材料的應(yīng)力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking，簡寫為SCC)，是在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的一種極其危險的低應(yīng)力破壞形式，焊接接頭往往是金屬結(jié)構(gòu)中SCC的敏感部位［4］.目前，國內(nèi)外已采用噴丸處理、超聲捶擊、超聲波、磁處理等方法改善管線鋼焊接接頭的耐腐蝕性能［5-8］，與上述工藝方法相比，激光沖擊是利用高強度激光沖擊波使金屬表面產(chǎn)生微塑性變形的強化新技術(shù)，可以改善焊接接頭表面的幾何形狀，消除焊接接頭的表面缺陷并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力［8-10］，提高其抗應(yīng)力腐蝕性能.國外在制造領(lǐng)域已實現(xiàn)了激光沖擊強化的商業(yè)化應(yīng)用，美、日等國已將激光沖擊處理應(yīng)用于風扇葉片、核反應(yīng)堆中型芯零件和焊接結(jié)構(gòu)焊接接頭的強化處理，以減小應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性［10］，國內(nèi)對激光沖擊處理后X70管線鋼焊接接頭在H2S環(huán)境中電化學腐蝕行為的研究尚未見到報道.為此，本文將采用慢拉伸對X70管線鋼焊接接頭在不同濃度H2S的NACE溶液中電化學腐蝕行為進行研究，通過掃描電鏡觀察其斷裂后斷口形貌，分析激光沖擊處理對X70管線鋼焊接接頭在H2S環(huán)境中發(fā)生應(yīng)力腐蝕敏感性的影響.

1 試驗

試驗材料為國產(chǎn)X70管線鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%):C0.05，Si0.23，Mn1.56，P0.013，S0.002，V0.032.其焊接接頭化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%):C0.07，Si0.22，Mn1.18，其余Fe.試樣狀態(tài)分為激光沖擊處理和原始狀態(tài)兩種形式，選取H2S為研究介質(zhì).試驗設(shè)備為日本東申工業(yè)株式會社制造的SERT-5000-D9H型恒慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗機.試樣尺寸如圖1所示，試驗參數(shù):溫度為常溫，壓力為常壓，應(yīng)變速率10-5s-1.試樣焊接接頭沖擊強化試驗在大功率KQ開關(guān)釹玻璃脈沖激光裝置上進行，輸出波長為1 054 nm、脈寬為23 ns左右、峰值功率為GW量級激光對X70管線鋼焊接接頭表面進行沖擊處理，其產(chǎn)生的激光波長為1.06 μm，脈沖寬度23 ns，最大有效光斑直徑為2 mm，激光脈沖功率2.0×109W.標距區(qū)用金相砂紙打磨后拋光處理后，用無水乙醇清洗，丙酮脫脂.安裝在實驗裝置上，其他部分全部浸泡在實驗溶液中.在拉伸過程中由M273恒電位儀施加外加電位，采用三電極體系，輔助電極為Pt片，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，試驗過程中由計算機自動控制，并記錄載荷-時間曲線.試樣拉斷后，用掃描電子顯微鏡(SEM)進行試樣表面和斷口形貌觀察.

圖1 試樣尺寸示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 慢拉伸曲線

原始狀態(tài)和激光沖擊處理后試樣分別在空氣中、NACE溶液(不含H2S)、NACE溶液(含500 ppmH2S)、NACE溶液(含飽和H2S)中慢拉伸試驗曲線如圖2所示.為了表征X70管線鋼焊接接頭在NACE溶液中應(yīng)力腐蝕敏感性，用SCC敏感性指數(shù)Iscc來描述X70管線鋼焊接接頭的韌性損失，即

式中:Pe和P0分別為在溶液中和空氣中SSRT后內(nèi)積功.

Iscc測試計算結(jié)果如表1所示.表1結(jié)果表明，激光沖擊處理后X70管線鋼焊接接頭在含H2S的NACE溶液中SCC敏感性指數(shù)下降了6%左右.激光沖擊波作用下使X70管線鋼焊接接頭表面產(chǎn)生晶粒細化和殘余壓應(yīng)力，是導致抗腐蝕性提高的主要原因［11-12］.

圖2 試樣在空氣、NACE溶液中慢拉伸曲線

表1 試樣在空氣、NACE溶液中慢拉伸試驗結(jié)果

2.2 斷口形貌

圖3為原始狀態(tài)試樣在不同介質(zhì)中SSRT斷口形貌.圖3(a)為空氣中的拉伸斷口形貌，斷裂前出現(xiàn)明顯的頸縮，存在高低不一的剪切臺階，主要由韌窩組成，大小不均勻，表明該斷口屬韌窩型延性斷裂，表現(xiàn)出良好的韌性斷裂.X70鋼焊接接頭在溶液(不含H2S)中斷口形貌如圖3(b)所示，可以看出試樣在這種介質(zhì)中的斷口形貌和試樣在空氣中拉伸的斷口形貌相似，為韌窩形貌，表面覆蓋腐蝕物，沒有產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象，表明X70管線鋼焊接接頭在此環(huán)境仍具有很好的韌性.通常，當Iscc大于35%，表明研究體系具有明顯的應(yīng)力腐蝕傾向，為氫脆敏感區(qū);當Iscc小于25%，表明研究體系沒有明顯的應(yīng)力腐蝕傾向，為安全區(qū);當Iscc介于25%～35%，視為潛在危險區(qū)［13］.由表1可知，試樣在這種介質(zhì)中應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)Iscc為8%，遠小于25%，表明在這種體系中X70鋼焊接接頭沒有明顯的應(yīng)力腐蝕開裂傾向，為安全區(qū).X70鋼試樣在溶液(含500 ppmH2S)中斷口形貌如圖3(c)所示，可以看出試樣在這種介質(zhì)中的斷口為韌窩+明顯解理形貌，且其應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)Iscc為63%，大于35%，斷口表面產(chǎn)生了明顯的裂紋，已經(jīng)有一定的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性.X70管線鋼焊接接頭試樣在溶液(含飽和H2S)中斷口形貌如圖3(d)所示，斷口形貌呈現(xiàn)河流狀樣(大量解理裂紋)，為典型的脆斷特征，斷口裂紋寬度明顯增加，應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)Iscc為66%，遠大于35%，表明這種體系具有明顯的應(yīng)力腐蝕傾向，為氫脆敏感區(qū).

圖3 X70管線鋼焊接接頭原始狀態(tài)慢拉伸斷口形貌

圖4為激光沖擊處理后試樣在不同介質(zhì)中SSRT斷口形貌，均斷于焊接接頭的焊縫區(qū)和熔合區(qū).

圖4 X70管線鋼焊接接頭激光沖擊處理后慢拉伸斷口形貌

圖4(a)、(b)、(c)呈45°斜口斷裂，表明斷裂為剪切斷裂，斷口形式為韌性斷裂.圖4(a)為在空氣中拉伸斷口形貌，斷裂前出現(xiàn)明顯的頸縮，斷口主要由韌窩組成，韌窩尺寸大于原始狀態(tài)尺寸韌窩(圖3(a))，由表1可知，激光沖擊處理后在X70管線鋼焊接接頭表面產(chǎn)生了強化效果，其SSRT后內(nèi)積功P增加了20 Nm，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性斷裂.X70鋼焊接接頭在溶液(不含H2S)中斷口形貌如圖4(b)所示，為韌窩形貌，斷口表面仍為腐蝕物覆蓋，沒有發(fā)生裂紋現(xiàn)象，表明X70管線鋼焊接接頭在此環(huán)境中有很好的韌性，由表1可知，試樣在這種介質(zhì)中應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)Iscc為22%，高于原始狀態(tài)的腐蝕敏感指數(shù)，這是由于經(jīng)激光沖擊處理后使粗糙度等級有所降低，在一定程度上會減小有效承載面積，增加了應(yīng)力腐蝕敏感性，但其Iscc小于25%，表明在這種體系中X70鋼應(yīng)力腐蝕開裂傾向不明顯.X70鋼試樣在溶液(含500 ppmH2S)中斷口形貌如圖4(c)所示，可以看出試樣在這種介質(zhì)中的斷口為韌窩+明顯解理形貌，且其應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)Iscc為58.6%，降低了4.4%，Iscc大于35%，斷口表面產(chǎn)生了明顯的裂紋，裂紋密度比原始狀態(tài)密度(圖3(c))有所下降，但仍表現(xiàn)為有一定的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性.試樣在溶液(含飽和H2S)中斷口形貌如圖4(d)所示，斷口為典型的脆斷特征，裂紋寬度比原始狀態(tài)有所降低，應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)Iscc為60.4%，降低了5.6%，Iscc大于35%，表明這種體系具有明顯的應(yīng)力腐蝕傾向，為氫脆敏感區(qū).

2.3 電位分析

X70管線鋼焊接接頭在NACE溶液中自腐蝕電位-時間變化關(guān)系如圖5所示.

圖5 焊接接頭電化學腐蝕電位曲線

由圖5可知，激光沖擊處理后X70管線鋼焊接接頭腐蝕斷裂電位高于原始狀態(tài)腐蝕電位，隨電位的正向增加，SCC敏感性下降［14-15］，焊接接頭試樣斷裂壽命tf明顯增加.試樣斷裂位置發(fā)生在焊接接頭處，表明焊接接頭是試樣的SCC敏感區(qū).

3 結(jié)論

1)激光沖擊處理可以提高X70管線鋼焊接接頭腐蝕性能，其SCC敏感性指數(shù)Iscc下降值約為6%，但不能完全消除H2S應(yīng)力腐蝕.

2)激光沖擊處理對X70管線鋼焊接接頭在H2S溶液中電化學行為有明顯的影響，電化學腐蝕電位正移，減小了X70管線鋼焊接接頭SCC敏感性，提高了慢拉伸加載條件下X70管線鋼焊接接頭SCC抗力.

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Effects of laser shock processing on electrochemical corrosion properties of X70 pipeline steel welded joints by slow strain rate testing

KONG De-jun，WU Yong-zhong，LONG Dan
(College of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，China，E-mail:kong-dejun@163.com)

For the improvement of electrochemical corrosion properties of X70 pipeline steel welded joint during slow-strain rate tension，the surface of the welded joint was processed by laser shock wave.The electrochemical corrosion behaviors in NAC solution(0.5%HAC+5%NaCl)with different H2S concentrations were analyzed，and the corrosion potentials of the welded joint before and after laser shock processing were measured.The effects of laser shock processing on corrosion potentials and fracture morphologies were discussed.The results show that the corrosion resistance is improved by laser shock processing，and the sensitivity index of SCC Isccdecreases about 6%.The spontaneous potential is moved to the positive direction，the polarization resistance is increased gradually，and the corrosion resistance is higher than that in primitive state.

laser shock processing;X70 pipeline steel;welded joint;slow strain rate test(SSRT);electrochemical corrosion

V261.8;O346.2;TG174.3 文獻標志碼:A 文章編號:1005-0299(2012)01-0139-05

2011-04-11.

江蘇省自然科學基金資助項目(BK2009104)，江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXLX11-0388).

孔德軍(1966-)，男，博士，副教授.

(編輯 呂雪梅)