長距離輸油泵擴(kuò)流器焊縫失效機(jī)理研究

張 明，張偉凱，王 輝，邱淑娟，李士斌

(1.國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司，北京 100010)

0 前 言

管道運輸作為最安全、最經(jīng)濟(jì)的油氣資源輸送方式，是陸地和海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。而作為管道運輸時的重要工具，輸油泵的安全性和使用壽命會極大地制約管道運輸成本。離心泵是最常用的輸油泵之一，離心泵屬于速度式泵，依靠離心力輸送液體，使液體的壓力或者速度增大[1-3]。離心泵由內(nèi)部轉(zhuǎn)子和外部擴(kuò)流器組成，擴(kuò)流器由一些鋼板焊接而成。焊縫是擴(kuò)流器的薄弱環(huán)節(jié)，在擴(kuò)流器使用過程中經(jīng)常失效，極大地增加了原油外輸?shù)某杀尽?/p>

原油管道運輸時最容易失效的部分就是管道和離心泵[4]。關(guān)于管道失效的研究，已經(jīng)有了大量的報道。管道失效部位較復(fù)雜，包括管道本體、絕緣接頭、絕緣法蘭、保溫層等[5-8]。為了提高管道的強(qiáng)度，有效降低管線建設(shè)成本，學(xué)者們建議使用X80 等高級鋼作為管道的基材[9，10]。但使用X80 鋼后，又帶來了新的問題，X80 鋼的氫脆敏感性要明顯高于低等級管線鋼，導(dǎo)致焊縫容易因氫脆而腐蝕失效[11，12]。X80、X70 等高級鋼在焊接時缺少低氫電極，導(dǎo)致氫含量增加，加上壁厚過渡不均、位錯等施工因素造成局部的應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致焊縫發(fā)生氫致開裂[13，14]。

關(guān)于離心泵的失效問題，學(xué)者們開展了一些研究。Mishra 等[15]針對離心泵軸承失效的原因進(jìn)行了分析，通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)水和油等輸送介質(zhì)通過密封件進(jìn)入軸承是導(dǎo)致軸承失效的主要原因。Feng 等[16]通過試驗研究了在停電的瞬間離心泵的工作特性，試圖找到離心泵瞬時失效的原因。Gupta 等[17]建立了一個新的離心泵潛在故障評估模型。Roy 等[18]研究了軸鍵槽標(biāo)準(zhǔn)尺寸的微小偏差對鍵槽座疲勞特性的影響。Yu等[19]采用有限元軟件對離心泵轉(zhuǎn)子葉輪與軸之間的松動故障原因進(jìn)行了分析。Asl 等[20]通過有限元軟件研究了幾何形狀對離心泵殼體力學(xué)性能的影響，并根據(jù)研究結(jié)果設(shè)計了一些新的殼體。然而這些關(guān)于離心泵失效問題的研究，主要關(guān)注的是離心泵轉(zhuǎn)子的葉輪、軸承以及殼體，對離心泵焊縫的研究還鮮有報道。焊縫的失效原因多種多樣。Xing 等[21]研究了氫對環(huán)焊縫斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展的影響，發(fā)現(xiàn)焊縫組織粗、小角度晶界多，在含氫環(huán)境下的止裂性能差。Kumar 等[22]對316ln 奧氏體不銹鋼焊縫的機(jī)械低周疲勞變形和失效行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)焊接狀態(tài)相比，316ln SS焊縫的初始循環(huán)硬化次數(shù)更多。Li 等[23]研究了氫氣轉(zhuǎn)化爐出口豬尾管焊封的失效原因，發(fā)現(xiàn)豬尾管出口焊縫失效是由于高溫工況下的應(yīng)力松弛開裂所致?？梢?，因為使用材料、工作環(huán)境和焊接方式的差異，擴(kuò)流器焊縫的失效機(jī)理具有其獨特性，有必要專門針對擴(kuò)流器焊縫的失效機(jī)理開展研究。

本工作旨在研究管道運輸時離心泵擴(kuò)流器焊縫的失效機(jī)理。以從某輸油站淘汰下的已失效擴(kuò)流器為原材料，對擴(kuò)流器焊縫進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和電子背散射衍射(EBSD)檢測，結(jié)合3 種檢測結(jié)果和擴(kuò)流器工作環(huán)境，從微觀結(jié)構(gòu)角度分析擴(kuò)流器焊縫的失效機(jī)理。根據(jù)EBSD 檢測結(jié)果計算焊縫、熱影響區(qū)及基體的臨界位錯密度ρGND，通過ρGND定量比較3 個位置的強(qiáng)度和韌性。結(jié)合擴(kuò)流器失效機(jī)理，為改善擴(kuò)流器性能和延長擴(kuò)流器使用壽命提出了一些建議。本研究的成果可以為油氣集輸工程師、離心泵制造商提供一定的參考。

1 試 驗

1.1 離心泵擴(kuò)流器介紹

離心泵主要由轉(zhuǎn)子和擴(kuò)流器組成，擴(kuò)流器的作用是優(yōu)化離心泵內(nèi)部流場分布和消除水力產(chǎn)生的徑向力。

擴(kuò)流器由8 塊鋼板和上下2 個頂板組成，鋼板焊接在上下2 個頂板之間。在工作過程中，擴(kuò)流器葉片內(nèi)緣會受到高速運動流體的沖擊和轉(zhuǎn)子外緣的摩擦。擴(kuò)流器葉片在長期的沖擊和摩擦載荷作用下容易發(fā)生疲勞失效，而這些失效位置往往在葉片與頂板間的焊縫處。觀察某輸油站淘汰下來的已失效擴(kuò)流器可見，焊縫處存在清晰的裂紋，且部分裂紋已經(jīng)逐漸向葉輪中間延伸?，F(xiàn)場已有多個離心泵出現(xiàn)類似失效情況，裂紋從焊縫處萌生，并沿著焊縫擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個葉片崩落。

1.2 測試樣品準(zhǔn)備

如圖1 所示，分別從3 號和5 號擴(kuò)流器葉片上取下了一小塊樣品(3 號葉片上記為樣品1，而5 號葉片上記為樣品2)用于SEM、EDS 和EBSD 檢測。

圖1 焊縫缺陷取樣位置Fig.1 Sampling location of weld defect

失效擴(kuò)流器樣品見圖2?？梢悦黠@的觀察到樣品1 焊縫上存在肉眼可見的裂紋，裂紋沿著扎向(RD)往焊縫深處延伸。焊縫處已經(jīng)發(fā)生了銹蝕，需要對樣品表面進(jìn)行處理，以消除樣品表面氧化生銹對檢測結(jié)果的干擾。本研究采用10 mL 硝酸、20 mL 鹽酸和30 mL純水的混合物對樣品表面進(jìn)行刻蝕。樣品1 的裂紋較小且在焊縫與基體交界處，比較適合進(jìn)行EBSD 檢測，因此將樣品1 作為EBSD 檢測樣品。在EBSD 檢測前需要對樣品表面進(jìn)行氬離子拋光、打磨，本研究使用金相研磨機(jī)對樣品進(jìn)行打磨，使用gatan 685 氬離子拋光機(jī)對樣品進(jìn)行拋光，然后使用SU-3400N 掃描電子顯微鏡對2 個樣品進(jìn)行SEM 和EDS 檢測。

圖2 失效擴(kuò)流器樣品Fig.2 Failure sample of enlargement

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM 和EDS 檢測結(jié)果

離心泵擴(kuò)流器由Q345B 鋼組成，Q345B 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)如下:Fe 97.160，C 0.200，Si 0.500，Mn 1.700，Mo 0.100，S 0.035，Cu 0.300。Q345B 鋼為普通碳素鋼，屈服強(qiáng)度為345 MPa。

2.1.1 樣品1 檢測結(jié)果

圖3 為樣品1 表面局部的SEM 形貌。表1 為樣品1 中3 個位置的EDS 檢測結(jié)果。從圖3e 中可見，樣品1 表面有許多的球狀顆粒，這些顆粒大小不一，且左側(cè)分布裂紋較多，右側(cè)較少。對左側(cè)裂紋進(jìn)一步放大，放大結(jié)果如圖3d 所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，在圖3e 中所示的球狀顆粒之間存在更小的球狀顆粒。按照圖3d 中標(biāo)示位置對這些球狀物體進(jìn)行EDS 檢測，同時對圖3e 中表面完好的位置也進(jìn)行EDS 檢測，可以發(fā)現(xiàn)這些球狀物體的組成元素中O 含量特別高，說明這些球狀物體可能是腐蝕產(chǎn)物。這些腐蝕產(chǎn)物的主要成分應(yīng)該是鐵及少量其他金屬元素(如Mn 和Mo)的氧化物。這些球狀物體中含有1.24%Cl 和0.56%H，據(jù)此可以初步推斷擴(kuò)流器焊縫表面存在嚴(yán)重的氯離子腐蝕。除了球狀腐蝕產(chǎn)物外，在圖3e 中還可觀察到許多的點蝕坑，點蝕坑是氯離子腐蝕的顯著特征之一[24]。將圖3e 中的一個點蝕坑進(jìn)行放大，放大結(jié)果如圖3b 所示。從圖3b中可見，點蝕坑中也存在許多大小不一的球狀腐蝕產(chǎn)物，此外在點蝕坑的周圍可以觀察到一層破損的氧化膜，這進(jìn)一步證明了擴(kuò)流器焊縫發(fā)生了氯離子腐蝕。氯離子容易吸附在因表面鈍化膜破損而裸露的金屬表面，使得金屬表面與鈍化膜之間產(chǎn)生電位差、形成原電池，從而加速裸露金屬的腐蝕[25，26]。氯離子與金屬元素結(jié)合形成的腐蝕產(chǎn)物容易運移，不能夠在金屬表面堆積成膜阻擋金屬進(jìn)一步的腐蝕，最終就會在金屬表面形成越來越大的點蝕坑。

表1 樣品1 的EDS 檢測結(jié)果Figure 1 EDS detection result of Sample 1

圖3 樣品1 的SEM 形貌Fig.3 SEM Morphology of Sample 1

從圖3e 中可以觀察到，在裂縫的右側(cè)有一條裂紋穿過了多個點蝕坑，并且在這條裂紋的兩側(cè)分布著許多次級裂紋。將裂紋左側(cè)的次級裂紋放大，放大結(jié)果如圖3f 所示。從圖3f 中可以觀察到在次級裂紋周圍還有許多的微裂紋，微裂紋附近都有點蝕坑，這些微裂紋大多是從點蝕坑開始向外擴(kuò)展的。在圖3e 中還觀察到一層暗淡的薄膜狀物體，其放大后的結(jié)果如圖3h所示。對圖3h 中的薄膜狀物體進(jìn)行EDS 檢測，可以發(fā)現(xiàn)其中含有71.69%的C，因此可以斷定這層薄膜狀物體應(yīng)該是在焊接過程中形成的碳化物。此外，從3 處EDS 檢測結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)了K、Na、Ca 等元素，這說明焊縫中存在夾渣等缺陷，因為K、Na、Ca 是焊接時所使用藥皮的主要成分之一。

2.1.2 樣品2 檢測結(jié)果

圖4 為樣品2 表面局部的SEM 形貌。從圖4a 中可見，由于樣品2 經(jīng)過了氬離子拋光處理，其表面比較光滑，但仍然可見右側(cè)的空洞中有一條明顯的裂紋一直延伸到了圖4a 的左上角。同時，從圖4a～4d 中都可以觀察到許多大小不一的點蝕坑，甚至有一些點蝕坑已經(jīng)長大，形成了近20 μm 的空洞。圖4b 中可以觀察到圖4a 中裂紋的裂紋尖端，裂紋尖端兩側(cè)也分布著大小不一的點蝕坑。此外，從圖4a 和4b 中可以發(fā)現(xiàn)有幾條較暗的條紋，這些條紋大多經(jīng)過點蝕坑?？紤]到擴(kuò)流器的工作特點，認(rèn)為這些條紋是擴(kuò)流器在使用過程中，由于長期經(jīng)受高速運動流體的沖蝕和與轉(zhuǎn)子部分的接觸摩擦而產(chǎn)生的機(jī)械損傷(如劃痕等)。

圖4 樣品2 的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of Sample 2

從圖4c 中可以發(fā)現(xiàn)，基體與焊縫之間的腐蝕狀況存在明顯的差異。焊縫處普遍存在點蝕坑，以及個別較大的空洞，即使樣品2 經(jīng)過拋光處理，這些點蝕坑、空洞在SEM 照片中仍清晰可見。而基體則比較光滑，越是遠(yuǎn)離焊縫，基體表面越是光滑。在圖4a 中可以比較清晰地觀察到樣品2 表面的金相。在圖4d 中也能觀察到點蝕坑，甚至于在圖4a 中尺寸較小、不易觀察的點蝕坑也能觀察到。此外，在圖4d 右下角中可以觀察到羽毛狀的物體，這是羽毛狀貝氏體(也稱上貝氏體)[27]。上貝氏體主要在較高溫度區(qū)域內(nèi)形成，其在強(qiáng)度韌性方面的性能均較差，在生產(chǎn)時要極力避免。焊縫處發(fā)現(xiàn)上貝氏體，再次說明擴(kuò)流器的焊接工藝較差，存在許多原始缺陷。

圖5 為樣品2 中2 個位置的能譜，分析結(jié)果見表2。從圖5a 中可見，圖4a 中裂紋源處的元素組成與圖3d 處的元素組成類似，都含有較多的O 和Cl，這再次說明擴(kuò)流器存在氯離子腐蝕。此外，圖4a 中的裂紋源的外形與各個部分普遍存在的空洞外形相似，這說明圖4a 中的裂紋可能是從一個較大的空洞處萌生的。同時，從圖5a 中還可以發(fā)現(xiàn)，在裂紋源處也存在K、Na等元素，這進(jìn)一步證明焊縫處存在夾渣等原始缺陷。圖5b 為基體處的EDS 檢測結(jié)果，從圖5b 中可以看出，基體處的元素組成中也含有少量的O，這說明基體也發(fā)生了一定的腐蝕，但腐蝕程度比較低。

表2 樣品2 的EDS 檢測結(jié)果(圖5a)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Tbale 2 EDS detection results of Sample 2(Fig.5a)(mass fraction) %

圖5 樣品2 的EDS 檢測結(jié)果Fig.5 EDS detection results of Sample 2

2.2 EBSD 檢測結(jié)果

2.2.1 焊縫處

圖6 為擴(kuò)流器焊縫處裂紋的EBSD 檢測結(jié)果。在EBSD 檢測中，花樣質(zhì)量可以用來評判材料表面的缺陷情況，存在缺陷的地方的圖像非常暗淡，而沒有缺陷的地縫則比較明亮。

圖6 擴(kuò)流器焊縫處裂紋的EBSD 檢測結(jié)果Fig.6 EBSD detection results of cracks at the weld seam of the diffuser

從圖6a 中可以發(fā)現(xiàn)，在裂紋源的左下角有幾條暗色條紋，這些條紋越是靠近裂紋源就越暗淡。這說明在這些位置存在缺陷，這進(jìn)一步證實了焊縫表面曾受到過機(jī)械損傷(劃痕)。擴(kuò)流器焊縫的材質(zhì)為Q345B鋼，Q345B 鋼為普通碳素合金鋼，在常溫下主要含有鐵素體、馬氏體等固溶在α-Fe 中的組織。奧氏體則是碳在γ-Fe 中的固溶體，屬于高溫相，一般在常溫下不存在。但通過圖6b 可以發(fā)現(xiàn)在樣品中存在奧氏體(γ-Fe)。這是因為在焊接過程中，部分鐵素體、馬氏體在高溫作用下發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化為奧氏體(γ-Fe)，大部分奧氏體在冷卻過程中又會轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、馬氏體。但由于降溫速度過快，部分奧氏體來不及轉(zhuǎn)變，就和馬氏體共存在了常溫下。殘余的奧氏體在常溫下是不平衡組織，一定時間后會發(fā)生變形，這也是焊縫上存在的缺陷之一。

從圖6c 中可見，焊縫上的裂紋為典型的穿晶裂紋。在晶界圖中還用不同顏色的線條表示出了相鄰晶界的取向差分布，綠色和紅色線條代表的是小角度晶界LAGB(＜10°)，而藍(lán)色的線條則代表大角度晶界HAGB(＞10°)。從圖6c 中可見，焊縫處的HAGB 與LGAB 占比相差不大。圖6d 為擴(kuò)流器焊縫處的IPF圖，從圖6d 中可見，焊縫裂紋附近較大的晶粒多為柱狀晶粒，相對較小的晶粒則多為等軸晶粒。從顏色分布來看，焊縫處各種顏色的晶粒交錯，沒有顯著的統(tǒng)一顏色，說明擴(kuò)流器焊縫處的晶體取向比較隨機(jī)，沒有明顯的擇優(yōu)取向。

圖7 為焊縫處晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計圖。從圖7a中可以看到，焊縫處晶粒尺寸分布不均，小于2 μm 的有效晶粒較少，而大于24 μm 的晶粒也比較少，平均晶粒尺寸為7.14 μm。從圖7b 中可以發(fā)現(xiàn)，小角度晶界占比57.5%左右，大角度晶界則占比42.5%。同時，通過圖7b 可以計算焊縫的平均幾何必要位錯密度ρGND。一般而言，ρGND與材料的強(qiáng)度和韌性正相關(guān)，可以用來評判不同位置處材料的強(qiáng)度和韌性。ρGND的計算方法如下[28]:

圖7 焊縫處晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計Fig.7 Statistical diagrams of grain size and misalignment angle at the weld seam

其中，θ為第i個晶體的取向差，μ為EBSD 測點的長度，b為伯格斯向量的模長。根據(jù)圖7b 中的數(shù)據(jù)就可以計算焊縫裂紋周圍材料的ρGND。經(jīng)計算，焊縫裂紋周圍平均的ρGND為8.98×1017m-2。

2.2.2 熱影響區(qū)

圖8 為熱影響區(qū)的EBSD 檢測結(jié)果。從圖8a 可見，除幾個點蝕坑附近外，熱影響區(qū)的顏色偏亮沒有明顯的缺陷。從圖8b 可以發(fā)現(xiàn)，在熱影響區(qū)也存在少量的殘余奧氏體(γ-Fe)，但數(shù)量比焊縫處要少得多，且主要集中在點蝕坑附近。這說明在焊接時，熱影響區(qū)的冷卻速度相對緩慢，只有少量奧氏體殘余。從圖8c 可以觀察到，熱影響區(qū)存在個別比較大的柱狀晶粒，晶粒尺寸接近40 μm。從圖8d 中可以觀察到，熱影響區(qū)的晶體也基本沒有明顯的擇優(yōu)取向趨勢，但部分區(qū)域的大尺寸晶粒取向比較接近。

圖8 熱影響區(qū)的EBSD 檢測結(jié)果Fig.8 EBSD test results in heat-affected zone

圖9 是熱影響區(qū)的晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計。從圖9a 可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)同樣是小尺寸晶粒偏多，小于2 μm 的有效晶粒比較少，但在熱影響區(qū)存在一些大于40 μm 的大尺寸晶粒，平均晶粒尺寸為14.36 μm。這是因為在焊接時，熱影響區(qū)的溫度比較高且冷卻緩慢，較長時間的高溫使得部分細(xì)小晶粒在逐漸長大。從圖9b中可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)的小角度晶界占比62%左右，大角度晶界的占比則有38%。根據(jù)圖9b 計算出的熱影響區(qū)的平均ρGND為3.05×1018m-2。

圖9 熱影響區(qū)的晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計Fig.9 Statistical diagrams of grain size and misalignment angle at heat-affected zone

2.2.3 基 體

圖10 為基體部位的EBSD 檢測結(jié)果。從圖10a 可見，基體總體顏色偏亮，僅有幾條較暗的條紋，這些條紋在熱影響區(qū)部分有少量點蝕坑形成，但基體部位幾乎沒有點蝕坑。從圖10b 可以發(fā)現(xiàn)，在基體部位幾乎沒有殘余奧氏體(γ-Fe)，熱影響區(qū)靠近基體部分的殘余奧氏體也比較少，殘余奧氏體主要集中在點蝕坑附近。從圖10c 可以看到，基體部位的晶粒尺寸要比熱影響區(qū)小，且基體部位的小角度晶界明顯比大角度晶界多。從圖10d 中可以發(fā)現(xiàn)，基體部位的晶體也沒有明顯的擇優(yōu)取向。

圖10 基體的EBSD 檢測結(jié)果Fig.10 EBSD detection results of the substrate

圖11 為基體的晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計。從圖11a可以發(fā)現(xiàn)，基體部位小尺寸晶粒比較多，大尺寸晶粒比較少，最大晶粒尺寸不超過25 μm，平均晶粒尺寸為6.56 μm。從圖11b 中可以發(fā)現(xiàn)，基體部位的小角度晶界占比63.4%，大角度晶界占比36.6%。根據(jù)圖11b 計算出基體部位平均ρGND為2.25×1018m-2。

圖11 基體的晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計Fig.11 Statistical diagrams of grain size and misalignment angle of substrate

從對失效擴(kuò)流器焊縫、熱影響區(qū)、基體3 個部分的EBSD 檢測結(jié)果中，可以總結(jié)出失效擴(kuò)流器微觀結(jié)構(gòu)上的一些特點:(1)由于焊接工藝等問題，在焊縫中有許多殘余奧氏體，這些殘余奧氏體會隨著時間逐步轉(zhuǎn)化發(fā)生變形，給焊縫造成初始缺陷。(2)組成擴(kuò)流器的鋼材中，小角度晶界較多，大角度晶界較少，這對材料的止裂性能是不利的。大角度晶界可以有效抑制裂紋的擴(kuò)展。而焊縫和熱影響區(qū)的大角度晶界相對較多，說明焊接其實在一定程度上提高了材料的止裂性能。(3)組成擴(kuò)流器的鋼材中，小尺寸晶粒比較多，大尺寸晶粒比較少。熱影響區(qū)的平均晶粒尺寸最大。(4)從3 個位置的晶粒取向分布{111}、{110}、{001}面的極圖和IPF 圖可以發(fā)現(xiàn)，組成擴(kuò)流器的鋼材本身就沒有織構(gòu)，而焊接過程卻使熱影響區(qū)有了形成沿?zé)崃總鞑シ较蚩棙?gòu)的趨勢。(5)從3 個位置的平均ρGND可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性最高，其次是基體，焊縫則最低。

擴(kuò)流器使用的材料為普通碳素合金鋼，具有中等的強(qiáng)度和韌性。但其并未形成有效的織構(gòu)，且小角度晶界較多，止裂性能較差。焊接使得焊縫處金屬材料的大角度晶界數(shù)量得到了提高，但同時也增大了焊縫處的晶粒尺寸，且焊縫處也未能形成織構(gòu)，所以焊縫處的強(qiáng)度和韌性是最低的。而熱影響區(qū)由于在高溫作用下的時間較長，其上的大角度晶界最多。雖然，熱影響區(qū)也形成了一些大尺寸晶粒，但其上同時還有織構(gòu)形成的趨勢，所以最終的結(jié)果是熱影響的強(qiáng)度和韌性最高。大角度晶界雖然可以有效地抑制裂紋的擴(kuò)展，但是其耐腐蝕的性能較差，所以焊縫和熱影響區(qū)的腐蝕程度明顯比基體更嚴(yán)重。

2.3 擴(kuò)流器焊縫失效機(jī)理

從對失效擴(kuò)流器焊縫的SEM 檢測中可以發(fā)現(xiàn)，焊縫表面存在許多的點蝕坑，有些點蝕坑甚至已經(jīng)在焊縫金屬表面形成了較大的空洞。從對失效擴(kuò)流器焊縫的EDS 檢測中可以發(fā)現(xiàn)，點蝕坑的元素組成中含有一定量的Cl 和H。擴(kuò)流器是輸油泵的組成部分，輸油泵輸送的都是從油田采出、經(jīng)過初步處理的商品原油。這些原油在采出的過程中經(jīng)常需要用到壓裂、酸化等增產(chǎn)技術(shù)，使用這些技術(shù)及原油初步處理時都需要使用到一些化學(xué)助劑，而這些化學(xué)助劑中就含有大量的氯離子，很難將其處理干凈。結(jié)合這些特點，認(rèn)為擴(kuò)流器在使用過程中遭受到了嚴(yán)重的氯離子腐蝕。

從擴(kuò)流器的EBSD 檢測結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)在焊接過程中，由于焊縫位置冷卻速度過快，焊縫上有許多的殘余奧氏體，容易給焊縫造成初始缺陷。結(jié)合EDS 和SEM 檢測結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，焊縫存在夾渣現(xiàn)象，焊縫表面有較多的碳化物。同時，焊縫表面還有機(jī)械損傷的痕跡。

綜合以上分析，提出了一個物理模型(如圖12)用以解釋擴(kuò)流器焊縫失效的機(jī)理。從圖12 可見，可以從以下4 個方面來解釋擴(kuò)流器焊縫失效機(jī)理。

圖12 擴(kuò)流器焊縫失效機(jī)理物理模型Fig.12 Physical model of failure mechanism of diffuser weld seam

(1)擴(kuò)流器焊縫上的初始缺陷 如圖12a 所示，焊縫上存在許多的初始缺陷，這些初始缺陷包括焊縫表面的機(jī)械損傷(劃痕)、夾渣及殘余奧氏體。機(jī)械損傷產(chǎn)生于擴(kuò)流器與轉(zhuǎn)子之間的接觸摩擦和高速流體的沖蝕，夾渣來源于焊接過程。殘余奧氏體則是因為焊縫處冷卻速度過快，導(dǎo)致奧氏體來不及轉(zhuǎn)化就殘留在馬氏體中。

(2)氯離子腐蝕 在工程實際石油開采的過程中，地層水含有酸化水等酸性物質(zhì)，并且在石油開采后對其進(jìn)行清潔處理時，處理液中也含有大量的氯離子，這些氯離子將一直跟隨油品輸送到達(dá)管線及擴(kuò)流器表面。焊縫表面發(fā)生氯離子腐蝕的機(jī)理如圖12b 所示。從圖3b 和3h 中可以發(fā)現(xiàn)，在焊縫金屬表面覆蓋著碳化膜/氧化膜，而劃痕等機(jī)械損傷卻會使得這些氧化膜部分脫落，裸露出其中的金屬。氯離子的離子半徑比較小，擴(kuò)散難以受到阻礙，當(dāng)其運動到金屬表面時就會吸附在金屬表面。氯離子吸附在裸露的金屬表面后，使得這部分金屬的電位變低，導(dǎo)致裸露金屬與氧化膜/碳化膜之間形成原電池(如圖12b)。此原電池的電極反應(yīng)如下[29]:

隨著上述反應(yīng)的不斷進(jìn)行，就會在金屬表面產(chǎn)生小而深的腐蝕坑。此原電池反應(yīng)還會導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生金屬離子(如Fe2+)，這些離子在介質(zhì)中會產(chǎn)生水解，水解反應(yīng)如下[30]:

金屬離子水解后會產(chǎn)生H+，由于這些H+擴(kuò)散不到坑外，導(dǎo)致坑內(nèi)的pH 值不斷降低，進(jìn)一步加速金屬腐蝕。

焊縫中的夾渣也會與周圍金屬形成原電池。焊縫中的夾渣是在焊接過程中，藥皮掉落到焊縫上后在高溫下形成的。藥皮中含有K、Na、Mn 等活動性非常強(qiáng)的金屬元素的合金，這些合金與焊縫表面的碳化膜/氧化膜形成原電池后，發(fā)生與式(2)～(4)類似的反應(yīng)形成點蝕坑。

(3)點蝕坑的長大及裂紋形成 如圖12c 所示，隨著擴(kuò)流器使用時間的延長，擴(kuò)流器上由氯離子腐蝕產(chǎn)生的點蝕坑也不斷地長大加深，最終在焊縫表面形成許多的空洞。這些空洞的形狀大多不規(guī)則，而焊縫中本就存在一些殘余奧氏體。奧氏體屬于高溫相，在常溫下為不平衡組織。隨著時間的推移，這些空洞周圍的殘余奧氏體釋放殘余應(yīng)力、發(fā)生變形，導(dǎo)致空洞周圍形成微裂紋。

(4)裂紋的擴(kuò)展 擴(kuò)流器在使用過程中長期受到流體的沖擊，在焊縫處存在隨時間不斷變化的交變應(yīng)力。如圖12d 所示，空洞周圍形成的微裂紋會在交變應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，同時充滿裂紋的腐蝕介質(zhì)又會進(jìn)一步地加速裂紋的擴(kuò)展速率。裂紋在這些因素的共同作用下迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致擴(kuò)流器失效。

總結(jié)擴(kuò)流器失效的機(jī)理，可以為改善擴(kuò)流器性能、延長擴(kuò)流器使用壽命提出一些建議，比如添加防腐鍍層、施加陰極保護(hù)及使用耐蝕合金等。其中，使用耐蝕合金時，要求其焊接后的焊縫也要具有良好的耐腐蝕性。因為本研究的結(jié)果表明，失效擴(kuò)流器僅焊縫和熱影響區(qū)容易受到腐蝕，基體部分腐蝕受到的腐蝕相對較小。要提高擴(kuò)流器的使用壽命，最重要的就是優(yōu)化擴(kuò)流器焊縫的焊接技術(shù)，避免擴(kuò)流器因冷卻過快而產(chǎn)生大量的殘余奧氏體，同時也要極力避免焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生過多的大尺寸晶粒和大角度晶界。

3 結(jié) 論

本研究通過對已失效的輸油泵擴(kuò)流器焊縫進(jìn)行EDS、SEM 和EBSD 檢測，探究了失效焊縫的表面形貌、織構(gòu)、晶粒大小、晶界取向等微觀結(jié)構(gòu)特征，揭示了輸油泵擴(kuò)流器焊縫的失效機(jī)理，最后得出了以下結(jié)論:

(1)夾渣等初始缺陷、劃痕等機(jī)械損傷以及過多的大角度晶界使擴(kuò)流器焊縫和熱影響區(qū)遭受到了嚴(yán)重的氯離子腐蝕，導(dǎo)致擴(kuò)流器焊縫表面產(chǎn)生大量的點蝕坑、空洞；

(2)擴(kuò)流器熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性最高，基體次之，焊縫的強(qiáng)度和韌性最低；

(3)殘余奧氏體在擴(kuò)流器焊縫處的點蝕坑周圍發(fā)生變形，釋放殘余應(yīng)力導(dǎo)致點蝕坑周圍形成微裂紋；微裂紋在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致擴(kuò)流器焊縫失效；

(4)添加防腐鍍層、施加陰極保護(hù)、換用焊縫抗腐蝕性能良好的耐蝕合金以及優(yōu)化焊接工藝都可以改善擴(kuò)流器的性能、延長擴(kuò)流器的使用壽命。