碳鋼管線焊接接頭的電化學腐蝕行為研究

李維鋒， 孫紫麾， 陳 英，舒欣欣，許 威， 楊 鵬，毛曉軍，楊壽海，徐連勇，韓永典，路永新

(1.海洋石油工程股份有限公司建造公司焊接試驗室,天津300452；2.天津大學 材料科學與工程學院,天津300072)

碳鋼管線焊接接頭的電化學腐蝕行為研究

李維鋒1， 孫紫麾1， 陳 英1，舒欣欣1，許 威1， 楊 鵬1，毛曉軍1，楊壽海1，徐連勇2，韓永典2，路永新2

(1.海洋石油工程股份有限公司建造公司焊接試驗室,天津300452；2.天津大學 材料科學與工程學院,天津300072)

母材選用A106B管線鋼,焊絲選用2.4 mm的實芯焊絲ER70S-G，使用兩種焊接工藝（GTAW+SMAW和GTAW）進行鋼管對接焊，試樣焊接前后均無熱處理。通過對焊接接頭的焊縫、熱影響區和母材的極化曲線測量，研究了兩種焊接工藝所得焊接接頭各區域的腐蝕行為。結果表明，兩種接頭不同區域的耐蝕性為：母材＞熱影響區＞焊縫。

碳鋼管；焊接接頭；CO2腐蝕；極化曲線

0 前 言

焊接技術被廣泛應用于石油天然氣工業中的油氣管線連接，但管線焊接接頭在工作過程中常受到腐蝕的影響，造成失效進而引發生產事故[1-6]，因而有必要對焊接接頭的耐蝕性進行研究。虞毅[7]等人對X65/316L機械復合管焊接接頭CO2腐蝕行為進行了研究，發現接頭腐蝕速率隨溫度升高不斷增加。胡麗華[8]等人研究了3Cr低合金管線鋼及焊接接頭的CO2腐蝕行為，結果表明在CO2腐蝕介質中，3Cr低合金管線鋼焊接接頭的母材區域先發生腐蝕,焊縫和熱影響區受到保護。畢宗岳[9-10]等人用微電極掃描法研究了HFW焊縫溝槽腐蝕敏感性，結果表明焊縫區腐蝕電流較大且分布不均勻，易發生溝槽腐蝕。盡管有文獻研究了焊接接頭腐蝕行為，但關于接頭各區域電化學腐蝕的研究較少。本研究從接頭各區域的組織出發，通過各自極化曲線的測量研究焊接接頭腐蝕特點，這對于保證碳鋼鋼管焊接接頭的現場焊接施工質量及管線安全運行具有重要的指導意義。

1 試驗材料、設備及試驗方法

母材選用A106B管線鋼,焊絲選用2.4 mm的實芯焊絲ER70S-G進行GTAW打底焊，其化學成分見表1。A106B母材為外徑 219.1 mm，壁厚10.3 mm管狀試樣，采用V形坡口，坡口角度為60°，鈍邊1.2 mm。

表1 A106B鋼及焊絲的化學成分 %

使用兩種焊接工藝（GTAW+SMAW和GTAW）進行焊接，試樣焊接前后無熱處理。用碳化硅砂紙對試樣依次從 240，400，600，800，1 200，1 500和2 000逐級打磨，最后用2.5 μm的金剛石拋光劑進行拋光。對拋好的試樣用4%的硝酸酒精腐蝕，在OLYMPUS-GX51光學顯微鏡上進行焊接接頭各部位的顯微組織觀察。

母材和熱影響區的電化學試樣為8 mm×8 mm×2 mm，焊縫區為5 mm×8 mm×2 mm。測試前用SiC水砂紙逐級打磨至1 000號，用蒸餾水清洗，酒精擦拭除油除水，吹干置于干燥箱備用。試驗采用Gamry interface 1000型電化學工作站進行動電位極化曲線和電偶電流測試。試樣采用三電極體系，以Ag/AgCl為參比電極，鉑片電極為輔助電極，母材為工作電極，試驗溫度為25℃。模擬某油田采出液成 為 NaHCO3（0.337 g·L-1），NaCl（28.234 g·L-1）， KCl（1.047 g·L-1）、 MgCl2·6H2O （1.487g·L-1）， CaSO4·2H2O （1.08 g·L-1），CaCl2·2H2O（2.755 g·L-1）和FeCl2·4H2O（0.125g·L-1）。首先測焊縫、熱影響區及母材的自腐蝕電位，時間為70 min，之后對試樣從開路電位的-500 mV掃到+500 mV，掃描速度0.167 mV/s進行動電位極化曲線測量。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

A106B管線鋼母材，GTAW+SMAW和GTAW焊縫及熱影響區的顯微組織如圖1～圖5所示。從兩種接頭焊縫顯微組織可以看出，GTAW+SMAW接頭焊縫中含有較多的粒狀鐵素體和晶粒邊界鐵素體，少量的針狀鐵素體和珠光體。GTAW接頭焊縫中沒有出現粒狀鐵素體，晶粒邊界鐵素體的量減少，針狀鐵素體的量增加，含有少量珠光體，晶粒尺寸有所減小。從兩種接頭熱影響區顯微組織圖中可以看出，GTAW+SMAW接頭熱影響區與焊縫組織差異較小。GTAW接頭熱影響區中針狀鐵素體含量增加，甚至出現大量魏氏組織。母材為典型的鐵素體+珠光體組織。

圖2 GTAW+SMAW焊縫顯微組織

圖3 GTAW熱影響區顯微組織

圖4 GTAW+SMAW熱影響區顯微組織

圖5GTAW焊縫顯微組織

2.2 動電位極化曲線

圖6 為兩種焊接工藝下所得焊接接頭各區域在模擬油田輸出液中的極化曲線，表2為極化曲線相關參數。分析可知母材的腐蝕電位最小，熱影響區的腐蝕電位最大，焊縫腐蝕電位位于中間。即母材腐蝕的熱力學傾向最大，熱影響區腐蝕的熱力學傾向最小。分析腐蝕電流可知兩種焊接接頭母材腐蝕電流最小，焊縫腐蝕電流最大，熱影響區腐蝕電流位于中間。即母材腐蝕的動力學最小，腐蝕速度最慢；焊縫腐蝕的動力學最大，腐蝕速度最快。即母材＞熱影響區＞焊縫。

圖6 焊接接頭各區域極化曲線

表2 極化曲線參數

3 結 論

（1）兩種焊接工藝所得焊縫組織均為鐵素體+珠光體，GTAW+SMAW接頭熱影響區組織與焊縫組織相近，GTAW接頭熱影響區組織與焊縫組織差異較大，且出現大量魏氏組織。

（2）在模擬油田輸出液中，兩種接頭不同區域腐蝕熱力學傾向從小到大依次為：熱影響區<焊縫<母材；兩種接頭不同區域腐蝕動力學速度從小到大依次為：母材<熱影響區<焊縫。接頭不同區域的耐蝕性：母材＞熱影響區＞焊縫。

［1］ ALIZADEH M,BORDBAR S.The influence of microstructure on the protective properties of the corrosion product layer generated on the welded API X70 steel in chloride solution[J].Corrosion Science,2013（70）： 170-179.

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［3］顏愛政,劉華,劉雷,等.長輸油氣管道焊接技術的應用[J].油氣儲運,2008,27(08):40-43.

［4］李澤興,呂興亮,張玉坤,等.淺談長輸管道焊接技術在施工中的應用[J].中國科技博覽,2013(18):368-368.

［5］李云濤,杜則裕,陶勇寅.高強管線鋼的焊接性及其焊接接頭的耐腐蝕性[J].焊接技術,2004,33(04):26-28.

［6］陳居術,孫新嶺,張濤,等.油氣管道焊接接頭的應力腐蝕及防護[J].管道技術與設備,2003(04):25-28.

［7］虞毅,徐連勇,韓永典,等.X65/316L機械復合管焊接接頭CO2腐蝕行為研究[J].焊管,2011,34(01):13-16.

［8］胡麗華,張雷,許立寧,等.3Cr低合金管線鋼及焊接接頭的CO2腐蝕行為[J].北京科技大學學報,2010（03）：345-350.

［9］畢宗岳,任永峰,井曉天.微電極掃描法對HFW焊縫溝槽腐蝕敏感性研究[J].焊管,2011,34(10)：5-8.

［10］吳東澤.含溝槽腐蝕缺陷油管的剩余強度評價[J].廣州化工， 2014， 42（10）： 86-88.

Research on the Electrochemical Corrosion Behavior of Carbon Steel Pipe Welded Joint

LI Weifeng1,SUN Zimao1,CHEN Ying1,SHU Xinxin1,XU Wei1,YANG Peng1,MAO Xiaojun1,YANG Shouhai1,XU Lianyong2,HAN Yongdian2,LU Yongxin2
(1.Welding Lab,Construction Company,Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China;2.School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In this article,it used two kinds of welding process(GTAW+SMAW and GTAW）to carry out butt welding for A106B pipeline steel,selecting 2.5 mm solid core welding wire of ER70S-G,without heat treatment for test sample before and after welding.Through polarization curve measurement for welded joint weld,HAZ and base metal,the corrosion behavior of welded joints various regions under two welding process were studied.The results showed that the corrosion resistance of two kinds of welded joints various regions are as follows:the base metal>HAZ>weld.

carbon steel pipe;welded joints;CO2corrosion;polarization curve

TE988.2

B

1001－3938（2015）05-0046-04

李維鋒（1981—），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向是海洋鋼結構焊接。

2014-11-18

羅 剛