不同熱處理工藝對(duì)焊管溝槽腐蝕的影響范文

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摘要：

為了研究熱處理工藝對(duì)HFW焊管溝槽腐蝕的影響，采用恒電位陽(yáng)極極化法測(cè)定了20鋼HFW焊管在不同熱處理工藝條件下的溝槽腐蝕敏感系數(shù)，并進(jìn)行了顯微組織分析。結(jié)果表明，HFW焊管焊縫與熱影響區(qū)、母材的電位差是引起溝槽腐蝕的主要原因；通過有效的熱處理可以使焊縫、熱影響區(qū)及母材的組織均勻、晶粒細(xì)化，能顯著降低溝槽腐蝕敏感系數(shù)；不同熱處理狀態(tài)下抗溝槽腐蝕敏感性能為調(diào)質(zhì)熱處理＞（中頻感應(yīng)、電阻爐）加熱+水冷＞焊態(tài)。

關(guān)鍵詞：

HFW焊管；熱處理；溝槽腐蝕

高頻直縫電阻焊管以其經(jīng)濟(jì)高效、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，在井下套管、油氣集輸管線中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。但是，由于焊縫區(qū)和母材區(qū)之間電化學(xué)性能的差異，使得HFW焊管在服役環(huán)境下容易產(chǎn)生焊縫溝槽狀選擇性腐蝕[4-5]。因此，研究焊管溝槽腐蝕電化學(xué)行為和熱處理工藝及顯微組織之間的關(guān)系，獲得降低焊管溝槽腐蝕敏感性的方法具有重要的意義。筆者選用20鋼HFW焊管為研究對(duì)象，研究不同熱處理工藝對(duì)焊管溝槽腐蝕的影響，為有效控制HFW焊管抗溝槽腐蝕性能提供合理依據(jù)[6-8]。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料選用20鋼HFW焊管，規(guī)格為Φ139.7mm×7.72mm，材料的化學(xué)成分見表1。試樣從焊縫位置切取，每組3個(gè)試樣，加工尺寸為Φ15mm×5mm，保證焊縫位于試樣的中心位置，試驗(yàn)面為焊管的內(nèi)表面。

1.2理化分析及電化學(xué)測(cè)試顯微組織分析在LeicaDMI5000M金相顯微鏡上進(jìn)行，試樣的腐蝕電位及Tafel曲線測(cè)試在瑞士萬通PGSTAT128N電化學(xué)工作站進(jìn)行，采用三電極體系，輔助電極為Pt，參比電極為飽和甘汞參比電極，電位掃描速率為0.1mV/s，介質(zhì)溶液為3.5%NaCl中性水溶液。電化學(xué)測(cè)試時(shí)，采用逐級(jí)剝層的方法，分別測(cè)試試樣母材、熱影響區(qū)及焊縫的自腐蝕電位及Tafel曲線[9-11]。

1.3熱處理方法對(duì)HFW焊管的熱處理分別在中頻感應(yīng)式加熱系統(tǒng)和電阻爐上進(jìn)行，采用水控冷卻和回火調(diào)質(zhì)的方法，從而獲得不同熱處理狀態(tài)下的焊管，具體熱處理工藝見表2。

1.4溝槽試驗(yàn)腐蝕環(huán)境為3.5%NaCl中性水溶液，采用恒電位電化學(xué)極化方法評(píng)價(jià)焊縫溝槽腐蝕敏感性。試驗(yàn)儀器為PS/12型恒電位儀，采用三電極系統(tǒng)對(duì)試樣施加-550mV（相對(duì)于飽和甘汞參比電極，SCE）極化電位進(jìn)行陽(yáng)極極化，極化時(shí)間為144h，試驗(yàn)溫度室溫。試驗(yàn)結(jié)束后清除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，根據(jù)圖1的方法用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量試樣溝槽幾何參數(shù)，計(jì)算溝槽腐蝕敏感系數(shù)α，α＝h2/h1，（1）式中：h1—母材的腐蝕深度：h2—焊縫的腐蝕深度。當(dāng)α≥1.3時(shí)，一般認(rèn)為焊管對(duì)溝槽腐蝕敏感；當(dāng)α＜1.3時(shí)，焊管對(duì)溝槽腐蝕不敏感[12-13]。

2結(jié)果與討論

2.1電化學(xué)測(cè)試試樣1開路電位Ecorr及慢速極化掃描測(cè)定的腐蝕體系電流I=0時(shí)對(duì)應(yīng)的電位Ek分布如圖2所示。由圖2可以看出，Ecorr和Ek在試樣表面的分布都遵循由焊縫向母材方向逐漸升高的規(guī)律，焊縫和母材區(qū)域Ecorr和Ek的最大差值為101mV和93mV。試樣1逐層測(cè)定的Tafel曲線如圖3所示。由圖2和圖3的電位分布規(guī)律可以看出，試樣焊縫、熱影響區(qū)和母材的腐蝕電位由低向高排列，即焊縫相對(duì)熱影響區(qū)及母材形成局部小陽(yáng)級(jí)，產(chǎn)生的電位差加速焊縫陽(yáng)極腐蝕速率，從而在焊縫區(qū)域產(chǎn)生溝槽腐蝕。

2.2溝槽敏感系數(shù)采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)得的溝槽腐蝕形貌如圖4所示。試驗(yàn)得出20鋼HFW焊管在不同熱處理工藝下的溝槽腐蝕敏感系數(shù)α平均值分別為1.32、1.21、1.18、1.14和1.12。由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊后未經(jīng)熱處理的試樣溝槽腐蝕敏感系數(shù)最高；通過中頻和電阻爐加熱使材料奧氏體化，經(jīng)水控冷熱處理后，焊縫的溝槽敏感系數(shù)有所降低；經(jīng)過調(diào)制熱處理的試樣，焊縫的溝槽腐蝕敏感系數(shù)最低。試樣在室溫條件下，3.5%NaCl中性水溶液中恒電位-550mV陽(yáng)極極化144h后，不同熱處理工藝下的表面腐蝕形貌如圖5所示。  由圖5可以看出，未經(jīng)熱處理的試樣1在焊縫位置出現(xiàn)了較深且較寬的溝槽形貌，并且由焊縫中心向熱影響區(qū)的溝槽深度逐漸減小；經(jīng)熱處理工藝后的試樣2和試樣3焊縫溝槽寬度與未熱處理試樣類似，但深度減小；經(jīng)熱處理工藝后的試樣4和試樣5焊縫溝槽深度及寬度明顯降低，肉眼難以觀察到溝槽腐蝕形貌。

2.3顯微組織分析圖6對(duì)比了不同熱處理狀態(tài)下HFW焊管的焊縫顯微組織形貌。由圖6可以看出，試樣1焊縫組織由中間白色條帶狀多邊形鐵素體和兩側(cè)上貝氏體組成，這種焊縫組織的抗腐蝕性較差，溝槽腐蝕敏感系數(shù)超過了1.3；試樣2和試樣3分別通過中頻和電阻爐加熱使材料奧氏體化后，再通過水冷獲得了鐵素體+珠光體的顯微組織，其相對(duì)試樣1，顯著降低了焊縫溝槽腐蝕的敏感性，使焊縫的溝槽腐蝕敏感系數(shù)達(dá)到了合格的標(biāo)準(zhǔn)；試樣4通過調(diào)質(zhì)熱處理，獲得回火索氏體組織，焊縫區(qū)和母材區(qū)的組織相對(duì)比較均勻，晶粒細(xì)化；試樣5是在試樣4的熱處理基礎(chǔ)上進(jìn)行了高溫再回火處理，相比試樣4的回火索氏體，其碳化物分布更均勻，因此焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)要小得多，獲得了更好的抗溝槽腐蝕性能。文獻(xiàn)[14-15]中提到，一般碳錳鋼的抗腐蝕性能主要靠加入微量合金元素來提高，基體金屬和焊縫的腐蝕電位差別主要?dú)w因于微量合金元素的差別。通過本次研究可知，不同程度的熱處理可以使焊縫、熱影響區(qū)及母材的組織均勻、晶粒細(xì)化、成分偏析降低，從而有效提高HFW焊管的抗溝槽腐蝕敏感性。

3結(jié)論

（1）20鋼HFW焊管產(chǎn)生溝槽腐蝕的原因?yàn)楹缚p相對(duì)熱影響區(qū)及母材形成的電位差，加速了焊縫區(qū)域陽(yáng)極腐蝕速率，在焊縫位置產(chǎn)生了溝槽腐蝕。

（2）不同熱處理狀態(tài)下20鋼HFW焊管抗溝槽腐蝕敏感性依次為：調(diào)質(zhì)、調(diào)質(zhì)+再回火>（中頻感應(yīng)、電阻爐）加熱+水冷>純焊態(tài)。

（3）通過有效的熱處理可以使焊縫、熱影響區(qū)及母材的組織均勻、晶粒細(xì)化，從而有效降低HFW焊管的溝槽腐蝕敏感性。

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作者：王濤 任永峰 何石磊 李遠(yuǎn)征 施宜君 宋紅兵 單位：國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院