J55 HFW焊管溝槽腐蝕敏感性試驗(yàn)方法研究*

任永峰，王 濤，劉新成，施宜君，田小江，苑清英，李小龍

(1. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院，陜西 寶雞 721008；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008)

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J55 HFW焊管溝槽腐蝕敏感性試驗(yàn)方法研究*

任永峰1，2，王 濤1，2，劉新成1，2，施宜君1，2，田小江1，2，苑清英1，2，李小龍1，2

(1. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院，陜西 寶雞 721008；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008)

溝槽腐蝕性能是評(píng)價(jià)高頻焊接(HFW) 焊管產(chǎn)品的重要性能指標(biāo)之一，采用3種溝槽腐蝕敏感系數(shù)評(píng)價(jià)方法(長(zhǎng)期浸泡法、電化學(xué)極化法和微電極掃描法)對(duì)J55 HFW 焊管進(jìn)行了對(duì)比性研究，溝槽腐蝕敏感系數(shù)分別為1.119，1.178和1.201。通過(guò)試驗(yàn)方法的對(duì)比，探討如何更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)HFW焊管溝槽腐蝕試驗(yàn)方法。

J55焊管 溝槽腐蝕敏感系數(shù) 長(zhǎng)期浸泡法 電化學(xué)極化法 微電極掃描法

高頻焊接(HFW)焊管在應(yīng)用過(guò)程中的腐蝕一般發(fā)生于熔合線處，其主要特征是在熔合線附近形成一條深溝狀或馬蹄狀狹長(zhǎng)凹槽，有時(shí)溝槽內(nèi)還有2至3 個(gè)可明顯區(qū)分的條帶[1-3]，一般將這種腐蝕形態(tài)形象地稱為溝槽腐蝕。20世紀(jì)70年代初這種腐蝕現(xiàn)象引起人們的重視并開(kāi)始此方面的研究工作。

該文采用長(zhǎng)期浸泡法、電化學(xué)極化法和微電極掃描法3種測(cè)試方法對(duì)J55 HFW鋼級(jí)焊管進(jìn)行了對(duì)比性研究,對(duì)比了3種J55 HFW鋼級(jí)焊管不同測(cè)試方法對(duì)溝槽腐蝕影響敏感系數(shù),為更好的研究HFW油管溝槽腐蝕性能敏感性提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

國(guó)產(chǎn)J55 HFW焊管化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分 w,%

1.2 長(zhǎng)期浸泡法

試驗(yàn)材料選用國(guó)產(chǎn)J55 HFW焊管，切取的試樣為10 mm×10 mm×5 mm，使焊縫位于試樣中央，在試樣的邊緣處鉆2 mm小孔，用于懸掛試樣于腐蝕溶液中。試樣經(jīng)砂紙打磨，然后采用酒精清洗脫脂、烘干，采用外經(jīng)千分尺測(cè)量試樣的尺寸。

腐蝕溶液為3.5%NaCl溶液，在室溫浸泡試樣，待腐蝕120 d后，取出試樣，采用毛刷機(jī)械法清除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，采用酒精清洗脫脂、烘干，腐蝕后的試樣采用蔡司LSM-700激光共聚焦顯微鏡對(duì)其溝槽腐蝕深度進(jìn)行測(cè)量。

1.3 電化學(xué)極化法

試驗(yàn)材料選用國(guó)產(chǎn)J55 HFW油管，取φ15 mm×5 mm 圓片試樣，使焊縫位于試樣的中央，腐蝕環(huán)境為3.5%NaCl溶液，溝槽腐蝕試驗(yàn)應(yīng)用恒電位電化學(xué)極化方法, 采用三電極體系, 輔助電極為鉑電極(Pt) 。對(duì)試樣施加-550 mV 的恒電位(相對(duì)于SCE), 試樣處于陽(yáng)極極化狀態(tài), 焊縫和母材的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力不同[4], 極化144 h測(cè)量腐蝕溝槽的幾何參數(shù), 計(jì)算溝槽腐蝕的敏感性系數(shù)。試驗(yàn)完成后利用蔡司LSM-700激光共聚焦顯微鏡對(duì)其溝槽腐蝕深度進(jìn)行測(cè)量。

1.4 微電極掃描法

試驗(yàn)采用微電極掃描振動(dòng)電極技術(shù)(SVET)，該技術(shù)是利用掃描振動(dòng)探針(SVP)在不接觸樣品表面的情況下 ,檢測(cè)樣品在溶液中局部腐蝕電位的一種新技術(shù)。從電化學(xué)腐蝕角度來(lái)看，金屬的腐蝕速率可以用單位時(shí)間、單位面積上發(fā)生的金屬質(zhì)量的變化來(lái)表示[5]。

從HFW焊管上切割樣品，大小為10 mm×10 mm×2 mm，確保焊縫區(qū)處于試樣中心線。樣品表面用SiC砂紙逐級(jí)打磨至2000號(hào)后經(jīng)機(jī)械拋光、丙酮除油和酒精清洗，腐蝕介質(zhì)選擇一定質(zhì)量濃度的NaCl溶液，掃描電極沿垂直于焊縫方向從母材區(qū)開(kāi)始掃描，穿過(guò)焊縫進(jìn)入另一側(cè)母材區(qū)后結(jié)束。通過(guò)檢測(cè)樣品在溶液中不同區(qū)域的腐蝕電流密度(焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材)，測(cè)量溝槽腐蝕敏感性系數(shù)α′=J1/J2(J1為焊縫區(qū)電流密度，mA/cm2;J2為母材及熱影響區(qū)電流密度,mA/cm2)。

2 結(jié)果及討論

2.1 溝槽腐蝕敏感性系數(shù)計(jì)算方法

溝槽腐蝕敏感性的評(píng)價(jià)采用具有相對(duì)意義的溝槽腐蝕敏感性系數(shù)α作為評(píng)價(jià)指標(biāo), 其定義為

(1)

式中：h2和h1分別為腐蝕試驗(yàn)前的原始表面到腐蝕溝底的深度和母材的腐蝕深度,mm。

一般認(rèn)為,當(dāng)腐蝕敏感性系數(shù)α≥1.3,HFW 焊管具有高的溝槽腐蝕敏感性。溝槽腐蝕示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 溝槽腐蝕示意

2.2 長(zhǎng)期浸泡法

溝槽腐蝕是由于焊縫和母材區(qū)域電化學(xué)活性差異而導(dǎo)致的電化學(xué)局部腐蝕。 HFW J55焊管經(jīng)過(guò)120 d試驗(yàn)后，測(cè)得溝槽腐蝕敏感性系數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)后明顯看到腐蝕的溝，見(jiàn)圖2，由測(cè)試圖可看到一條明顯的藍(lán)色腐蝕長(zhǎng)溝，此溝為焊縫優(yōu)先腐蝕形成的腐蝕溝，在試樣腐蝕區(qū)域出現(xiàn)大量深淺不同的腐蝕坑，見(jiàn)圖3。

表2 浸泡溝槽腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 焊管溝槽腐蝕試驗(yàn)后剖面形貌

圖3 焊管激光共聚焦測(cè)試溝槽成像

2.3 電化學(xué)極化法

HFW J55焊管經(jīng)過(guò)144 h試驗(yàn)后，測(cè)得溝槽腐蝕敏感性系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 電化學(xué)極化法溝槽腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

溝槽腐蝕形貌見(jiàn)圖4，由圖4明顯可以見(jiàn)到焊縫中心一條被腐蝕的寬溝，附近是點(diǎn)蝕坑。采用德國(guó)LSM-700激光共聚焦顯微鏡對(duì)溝腐蝕后試樣進(jìn)行激光光路掃描(CSLM)分析，溝槽腐蝕試樣表面形貌見(jiàn)圖5。由圖5可看出不同顏色代表腐蝕后表面的溝深差，藍(lán)色區(qū)域?yàn)闄M貫上下的焊縫腐蝕溝，且形貌為高低不平的溝壑。

圖4 焊管溝槽腐后宏觀形貌

圖5 焊管激光共聚焦測(cè)試溝槽成像

2.4 微電極掃描法

腐蝕過(guò)程往往是從局部微區(qū)開(kāi)始的，而電化學(xué)反應(yīng)電流是微區(qū)腐蝕反應(yīng)的重要特征參數(shù)。掃描振動(dòng)電極技術(shù)(SVET)是研究微區(qū)電化學(xué)過(guò)程的重要手段，該技術(shù)可以測(cè)量局部電化學(xué)反應(yīng)電流，表征腐蝕反應(yīng)的過(guò)程，評(píng)價(jià)微區(qū)腐蝕情況。 從電化學(xué)腐蝕角度來(lái)看，金屬的腐蝕速率可以用單位時(shí)間、單位面積上發(fā)生的金屬質(zhì)量的變化來(lái)表示[6]。

(2)

(3)

(4)

式中：s為試樣面積，mm2;I為電流強(qiáng)度，mA;J為腐蝕電流密度，mA/cm2;t為時(shí)間，min;K為參與反應(yīng)的金屬摩爾質(zhì)量比法拉第常數(shù);Δh為腐蝕深度,mm;h2和h1為腐蝕試驗(yàn)前的原始表面到腐蝕溝底的深度和母材的腐蝕深度，mm。

從式(2)(3)(4)可以看出，電化學(xué)反應(yīng)速率與腐蝕電流密度成正比，因此可以通過(guò)測(cè)量不同區(qū)域腐蝕電流密度的大小來(lái)表征腐蝕速率的大小和焊縫區(qū)溝槽腐蝕的敏感性。

HFW J55焊管對(duì)試樣進(jìn)行掃描，經(jīng)測(cè)試在穩(wěn)定后，掃描曲線的結(jié)果溝槽腐蝕敏感系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 微電極掃描溝槽腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

溝槽腐蝕形貌電流密度分布見(jiàn)圖6， 從圖6中可看出在黃色焊縫區(qū)域的腐蝕電流密度較大，綠色區(qū)域?yàn)殡娏髅芏容^小的熱影響區(qū)和母材區(qū)。整體形成的電流密度分布出現(xiàn)高低起伏，為不均勻分布。圖7能清楚的看出在焊縫區(qū)電流密度明顯高于熱影響區(qū)和母材區(qū)，從而也說(shuō)明了焊縫優(yōu)先腐蝕的特點(diǎn)。

圖6 焊縫、熱影響區(qū)和母材區(qū)電流密度分布

圖7 不同位置腐蝕電流密度分布示意

長(zhǎng)期浸泡法、電化學(xué)極化法和微電極掃描法3種試驗(yàn)方法的溝槽腐蝕敏感系數(shù)分別為1.119，1.178和1.201，從3種試驗(yàn)方法可以看出長(zhǎng)期浸泡法需要時(shí)間較長(zhǎng)，并且無(wú)外界施加電流完全是在自然狀態(tài)下進(jìn)行,并且更接近實(shí)際情況。電化學(xué)極化法是給施加了外界電流干擾，加速了溝槽腐蝕而且操作簡(jiǎn)單。微電極掃描法也是在無(wú)外界干擾的情況下進(jìn)行，試驗(yàn)周期也短，但設(shè)備昂貴。微電極采集到的電流非常微小，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性有待進(jìn)一步研究。從3種試驗(yàn)方法測(cè)試溝槽腐蝕敏感系數(shù)可看出，敏感系數(shù)差距不大，都在小于1.3范圍內(nèi)。

王榮等的研究表明[7]，油套管焊接區(qū)溝槽腐蝕敏感系數(shù)與鋼的含C 量密切相關(guān)，增加C 含量將增大溝槽腐蝕敏感性。進(jìn)一步降低鋼中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.04 %～0.08 %)，可使母材與焊縫的顯微組織均為細(xì)晶鐵素體，可以有效降低溝槽腐蝕敏感性。

Duran[8]等研究了環(huán)境因素對(duì)溝槽腐蝕行為的影響，認(rèn)為溝槽腐蝕起源于焊縫區(qū)MnS夾雜，溶液的pH值、O2含量、Cl-含量、流速和溫度等因素均對(duì)溝槽腐蝕行為有影響。

在HFW焊接過(guò)程的急熱和焊后的急冷過(guò)程中，在冷卻轉(zhuǎn)變過(guò)程中，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用于滲碳體流線，產(chǎn)生應(yīng)力集中，在焊縫兩側(cè)形成較高的殘余應(yīng)力[9]。殘余應(yīng)力會(huì)加速鋼的腐蝕，因此，在焊縫兩側(cè)形成基本對(duì)稱的腐蝕溝槽。即使采用焊后的相變熱處理也很難消除這種腐蝕傾向，但長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)相變?nèi)?yīng)力退火會(huì)顯著降低溝槽腐蝕[10]。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)試驗(yàn)得出，評(píng)價(jià)溝槽腐蝕的試驗(yàn)方法為長(zhǎng)期浸泡法、電化學(xué)極化法、微電極掃描法。3種試驗(yàn)方法的溝槽腐蝕敏感系數(shù)分別為1.119，1.178和1.201。

(2)3種測(cè)試方法結(jié)果可看出測(cè)量點(diǎn)隨機(jī)性較強(qiáng)，是造成溝槽腐蝕敏感系數(shù)結(jié)果不一致的主要原因。因此在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行必要的標(biāo)注，以增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

(3)采用HFW電阻直縫焊接的鋼管，由于焊接過(guò)程中焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材熱處理過(guò)程中的差異，造成組織結(jié)構(gòu)、晶粒度大小、殘余應(yīng)力的不同，從而產(chǎn)生電化學(xué)性能存在差異，這種差異導(dǎo)致了溝槽腐蝕的發(fā)生。

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[10]肖紀(jì)美， 金屬的韌性與韌化[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1982:471.

(編輯 寇岱清)

Research on Test Methods of Groove Corrosion Sensitivity for J55 HFW Welded Pipe

RenYongfeng1,2,WangTao1,LiuXincheng1,2,ShiYijun1,2,TianXiaojiang1,2,YuanQingying1,2,LiXiaolong1,2

(1.ResearchInstituteofBaojiPetroleumSteelPipeCo.,Ltd.,Baoji721008,China) 2.NationalPetroleumandGasTubularGoodsEngineeringTechnologyResearchCenter,Baoji721008,China)

Groove corrosion is one of the important performance index of HFW pipe products. In this paper, J55 HFW pipes have been comparatively studied by three evaluation methods for groove corrosion sensitivity coefficient, i.e. long-term immersion method, electrochemical polarization method and microelectrode scanning method. The groove corrosion sensitivity coefficients are 1.119, 1.178 and 1.201 respectively. Through comparison of test methods, how to more accurately evaluate HFW pipe groove corrosion test method is studied.

J55 JFW pipe, groove corrosion sensitivity coefficient, long-term emersion method, electrical chemical polarization method, microresitivity scanning method

2016-03-28；修改稿收到日期：2016-05-05。

任永峰(1971-)，工程師，主要從事油氣管材耐腐蝕性研究工作。E-mail:renyongfeng8812@163.com

國(guó)家科技支撐計(jì)劃“高強(qiáng)度耐腐蝕石油天然氣集輸與輸送用管線鋼生產(chǎn)技術(shù)”(2011BAE25B03)。