R-31焊縫組織轉(zhuǎn)變與CO2腐蝕

武 斌，王 斌，趙遠(yuǎn)山，蒲 靈，胡宇汐，鄭 宇

（西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610500）

R-31焊縫組織轉(zhuǎn)變與CO2腐蝕

武 斌，王 斌，趙遠(yuǎn)山，蒲 靈，胡宇汐，鄭 宇

（西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610500）

通過熱處理工藝均化并改善R-31耐熱接頭組織。采用金相顯微鏡、顯微硬度計(jì)、掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）、電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)結(jié)合腐蝕實(shí)驗(yàn)分析焊接接頭組織、力學(xué)性能以及組織轉(zhuǎn)變對CO2腐蝕發(fā)生規(guī)律的影響。結(jié)果顯示：未經(jīng)熱處理的焊縫熔合區(qū)組織為細(xì)小的粒狀珠光體，中間有少量的先共析鐵素體呈島狀分布。熱處理后，接頭熱影響區(qū)的組織長大，且熔合區(qū)有少許的彌散碳化物析出，硬度增加。熱處理使接頭腐蝕電位增大，抵御腐蝕的能力增強(qiáng)。分析腐蝕形貌發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)、粗晶區(qū)以及由鐵素體和滲碳體共析而成的珠光體區(qū)最易發(fā)生CO2局部腐蝕，其中熱影響區(qū)腐蝕速率較大，EDS能譜分析顯示蝕坑中具有很高的碳含量。

焊接接頭；CO2腐蝕；微觀組織；點(diǎn)蝕

0 前言

近年來，隨著石油需求的不斷增加，高含硫或含二氧化碳油氣田也被大量開采利用。在石油開采中，鉆柱動力傳輸用的沖頭、鉆桿接頭以及石油裂解裝置中的急冷器都是石油化工領(lǐng)域中的重要部件，這些焊接件雖然具有良好的耐磨性和沖擊韌性，但在富含二氧化碳，高熱、高濕的地層，碳化物（如CH4，CO，CO2）和水形成酸性腐蝕介質(zhì)，加之在多級采油或采氣時注入的CO2驅(qū)替氣體，金屬材料極易腐蝕生成碳酸鐵并產(chǎn)生氫氣，腐蝕采油設(shè)備和油氣管線，嚴(yán)重影響鉆井機(jī)械和輸油管道的使用安全[1-2]。針對壓力管道用鋼的腐蝕，國內(nèi)外研究者對腐蝕因素、腐蝕模型、腐蝕失效以及緩蝕劑等都做了相應(yīng)的研究[3-4]。焊接接頭熱影響區(qū)組織并不穩(wěn)定，在超深地層和石油裂解過程中發(fā)生組織孕育轉(zhuǎn)變，這種變化改變了原有的腐蝕電位，形成更加激烈的電偶腐蝕[5-7]。因此，測定焊接結(jié)構(gòu)中不同組織對應(yīng)的腐蝕電位，對掌握材料因組織變化引起的腐蝕現(xiàn)象有十分重要的意義。實(shí)驗(yàn)用R-31耐熱焊絲制備對接接頭，熱處理后分別腐蝕接頭，再利用電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)測定不同組織的腐蝕電位，并進(jìn)行腐蝕形貌分析。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 接頭制備

實(shí)驗(yàn)材料為Q235鋼和R-31耐熱焊絲，具體化學(xué)成分見表1，Q235鋼尺寸280 mm×130 mm×6 mm，單邊V型坡口，坡口角度30°；R-31耐熱焊絲尺寸φ2.0 mm×1 000 mm，坡口角度和焊層分布見圖1。焊接對接接頭采用正接法TIG焊，三層四道成形，層間溫度50℃，焊接過程均采用氬氣保護(hù)，焊接參數(shù)由Manual-HKS焊接掃描儀測得，相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of welding metals %

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding parameters

圖1 坡口尺寸及焊層分布Fig.1 Size of V notch and distribution of welding layers

1.2 焊層硬度

焊接接頭上顯微硬度測試點(diǎn)的分布如圖2所示，測試點(diǎn)以焊縫為中心兩端對稱分布。測試前先將焊縫切割成120 mm×6 mm×4 mm的幾何形狀，機(jī)械打磨拋光后使測試面光滑、平整。其中硬度計(jì)型號HSV1000，加載載荷300 g，保壓時間10 s。

圖2 接頭顯微硬度測試Fig.2 Testing of micro-hardness on the welding joint

1.3 腐蝕

腐蝕實(shí)驗(yàn)在室溫密閉容器中進(jìn)行，為保持溶液中CO2的濃度，腐蝕過程中用導(dǎo)管循環(huán)通入CO2氣體，流量1 ml/min。48 h后取出試樣，干燥并密封保存。電化學(xué)測試前連接一對金屬電極，其他位置用石蠟密封。腐蝕電位測定采用甘汞電極參比，導(dǎo)電介質(zhì)NaCl溶液的質(zhì)量濃度為3.5%。

2 分析和討論

2.1 焊接工藝對接頭組織及性能的影響

Manual-HKS焊接掃描儀測得焊接過程電流變化如圖3所示，打底焊的平均電流為78 A，電弧電壓24 V；填充層焊接電流97 A，電弧電壓24 V；蓋面層焊接電流106 A，電弧電壓25 V，焊后焊縫成形良好，形貌如圖4所示。

圖3 焊接電流Fig.3 Welding current

焊接接頭硬度分布如圖5所示，可以看出硬度值從母材到焊縫中心逐漸升高。對于未經(jīng)熱處理的焊接接頭，母材和熱影響區(qū)的硬度相近，平均硬度約128 HV；但在熔合區(qū)，R-31耐熱焊絲中Mn、Si等奧氏體形成元素在焊接時對焊縫金屬產(chǎn)生稀釋作用，合金元素在熔池凝固結(jié)晶過程中有充足的時間進(jìn)行擴(kuò)散，最后在熔合區(qū)形成了大量細(xì)小的珠光體組織，這使焊縫熔合區(qū)具有很高的硬度[8]，最大硬度值可達(dá)280 HV以上。對焊接接頭而言，為了消除焊后殘余應(yīng)力對焊接構(gòu)件尺寸的影響，均化組織并穩(wěn)定化學(xué)成分，焊接結(jié)構(gòu)使用前一般都要經(jīng)過不同溫度的焊后熱處理（PWHT）。

圖4 焊縫形貌Fig.4 Morphology of welding seam

圖5 焊接接頭的顯微硬度Fig.5 Micro-hardness of welding joint

R-31耐熱接頭經(jīng)低溫?zé)崽幚砗?，整個接頭的顯微硬度都有所增加，其中母材和熱影響區(qū)的顯微硬度增量較大，約30 HV；而熔合區(qū)的增量較小，在5～10 HV之間。通過焊后熱處理，接頭熔合區(qū)的最大顯微硬度值可達(dá)300 HV以上。這是由于內(nèi)部應(yīng)力消除后，少量的殘余奧氏體產(chǎn)生了二次分解，形成絮狀的滲碳體。另外由于焊接時熱輸入的增大使熱影響區(qū)（HAZ）的晶粒粗化，部分晶粒擠壓變形，晶界偏析出現(xiàn)高硬度的沉淀碳化物，這些都使得接頭的硬度發(fā)生改變[9-10]。

2.2 組織變化對腐蝕電位的影響

焊后接頭各個區(qū)域的金相組織如圖6所示，其中母材區(qū)為塊狀的鐵素體組織，小塊的鐵素體之間有少量片層狀和帶狀的珠光體；熱影響區(qū)由于受焊接熱輸入的影響，鐵素體組織變得粗大，其周圍有小的變形晶粒并伴隨有碳化物晶間析出；熔合線附近組織如圖6c所示，熱影響區(qū)一側(cè)為粗大的片狀鐵素體和少量貝氏體；焊縫熔合區(qū)組織則為細(xì)小珠光體，中間包含島狀的鐵素體[11]。雖然析出碳化物和針狀鐵素體形成的珠光體組織可以提高焊層的硬度和耐磨性，但在由鐵素體和滲碳體形成的共析珠光體內(nèi)存在嚴(yán)重的電偶腐蝕，后期形成額外的腐蝕電流加速材料的腐蝕[12-14]。

由圖7a中的極化曲線可知，未經(jīng)熱處理的耐熱接頭中熱影響區(qū)的自腐蝕電位最高為-0.752 V，母材和熔合區(qū)的自腐蝕電位則分別為-0.768 3 V和-0.8118V。自腐蝕電位可表示材料在特定環(huán)境中的腐蝕傾向，對因CO2產(chǎn)生的氣蝕和由局部電位差引起的電偶腐蝕，熔合區(qū)的自腐蝕電位相對較低，在酸性腐蝕介質(zhì)中最容易首先產(chǎn)生腐蝕[15]。熔合區(qū)填充R-31耐熱焊絲后，增加了其腐蝕敏感性。但由圖7b可知，接頭經(jīng)熱處理工藝后，母材、熱影響區(qū)和熔合區(qū)的自腐蝕電位都有所增加，母材區(qū)最大的腐蝕電位為-0.335 7 V，熱影響區(qū)和熔合區(qū)的腐蝕電位分別為-0.356 V和-0.431 2 V?？梢娖浒l(fā)生腐蝕的趨向減小，進(jìn)一步驗(yàn)證了焊后熱處理工藝可優(yōu)化或改善接頭的耐蝕性能。由極化曲線反推分析電位較負(fù)的陽極區(qū)可以看出，母材（BW）、熱影響區(qū)（HAZ）以及熔合區(qū)（WW）的陽極極化并不明顯，三個區(qū)的極化速率非常接近。但在電位變化較大的陰極區(qū)，陰極極化速率由大到小依次為HAZ＞W(wǎng)W＞BW。由此可知，當(dāng)回路形成并產(chǎn)生腐蝕電流后，熱影響區(qū)的腐蝕最為顯著，這種現(xiàn)象與多層多道焊時循環(huán)熱輸入所產(chǎn)生的粗大晶粒有關(guān)。另外受R-31填充焊絲中Mn、Si等合金元素的影響，焊縫熔合區(qū)的陽極極化電流和陰極極化電流比母材大，這是因?yàn)殡m然Mn的加入提高了珠光體組織的強(qiáng)度，但也使大量晶粒長大并產(chǎn)生粗晶組織，增加了材料的過熱敏感性[16-17]。

圖8a為腐蝕速率最大的熱影響區(qū)的腐蝕微觀形貌，未經(jīng)熱處理?？梢钥闯?，相同腐蝕條件下，未經(jīng)熱處理的接頭熱影響區(qū)局部腐蝕嚴(yán)重，掃描電鏡下可發(fā)現(xiàn)清晰的蝕孔。經(jīng)熱處理后的焊接熱影響區(qū)除了發(fā)現(xiàn)微量的Mn元素外，由于熱處理使熱影響區(qū)的腐蝕電位增加，其表面耐蝕性也得到提高，如圖8b所示。

圖6 焊縫接頭組織Fig.6 The micro-structure of welding joint

圖7 R-31耐熱接頭的極化曲線Fig.7 Polarization curves of welding joint

3 結(jié)論

（1）R-31耐熱接頭經(jīng)過焊后熱處理后，接頭硬度整體增加，其中母材和熱影響區(qū)的硬度增量較大，約30 HV；熔合區(qū)的最大硬度可達(dá)300 HV。

（2）焊后接頭熔合區(qū)為細(xì)小的珠光體組織，中間含島狀鐵素體。熔合線熱影響區(qū)一側(cè)為粗大的片狀鐵素體和少量貝氏體組織；經(jīng)過焊后熱處理，區(qū)域有少量碳化物析出，和針狀鐵素體形成會影響力學(xué)性能和腐蝕性能的珠光體組織。

（3）在含CO2的酸性介質(zhì)中，R-31耐熱接頭基體的腐蝕趨向最大，但接頭形成腐蝕電池后，熱影響區(qū)的腐蝕電流最大，局部腐蝕后形成富含碳化物的蝕孔。合適的焊后熱處理工藝可以改善接頭組織，通過提高腐蝕電位減緩腐蝕的發(fā)生。

圖8 熱影響區(qū)的腐蝕形貌分析Fig.8 Analysis of corrosion morphology in HAZ

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Study on structure transformation and CO2corrosion of R-31 welded joints

WU Bin，WANG Bin，ZHAO Yuanshan，PU Lin，HU Yuxi，ZHENG Yu
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

The structure of R-31 welded joints are homogenized and improved by post-weld heat treatmen（tPWHT）.Some researches like microstructure of the welded joints,mechanical properties and effect on CO2corrosion by those changes are investigated by metallurgical microscope,micro-hardness tester,SEM and EDS，electrochemical test system in corrosion experiment.Results show that organization of weld fusion zone without heat treatment is the fine granular pearlite and dotted with a few island ferrite.After heat treatment，the structure in heat-affected zone（HAZ）occur grain coarsening and precipitate a little dispersed carbide，this leads hardness to increase.In addition，the higher corrosion potential obtained from PWHT makes it has a better performance on CO2corrosion resistance.Corrosion morphology analysis shows that HAZ，coarsen zone and eutectoid pearlite combined by ferrite and cementite are mo st prone to corrosion，HAZ has the maximum corrosion rate，there are high carbon content in the corrosion pits though EDS analysis.

welded joint；CO2corrosion；microstructure；pitting

TG401

：A

：1001-2303（2015）10-0140-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.32

2014-10-23

武 斌（1985—），男，云南曲靖人，國際焊接技師，在讀碩士，主要從事A-TIG焊等現(xiàn)代焊接技術(shù)與焊縫無損檢測、腐蝕及防護(hù)方面的研究工作。