不同熱處理工藝對HFW焊管溝槽腐蝕的影響

王 濤 ，任永峰 ，何石磊 ，李遠征 ，施宜君 ，宋紅兵

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

不同熱處理工藝對HFW焊管溝槽腐蝕的影響

王 濤1，2，任永峰1，2，何石磊1，2，李遠征1，2，施宜君1，2，宋紅兵1，2

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

為了研究熱處理工藝對HFW焊管溝槽腐蝕的影響，采用恒電位陽極極化法測定了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，并進行了顯微組織分析。結果表明，HFW焊管焊縫與熱影響區、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、熱影響區及母材的組織均勻、晶粒細化，能顯著降低溝槽腐蝕敏感系數；不同熱處理狀態下抗溝槽腐蝕敏感性能為調質熱處理＞（中頻感應、電阻爐）加熱+水冷＞焊態。

HFW焊管；熱處理；溝槽腐蝕

高頻直縫電阻焊管以其經濟高效、尺寸精度高等優點，在井下套管、油氣集輸管線中得到了廣泛應用[1-3]。但是，由于焊縫區和母材區之間電化學性能的差異，使得HFW焊管在服役環境下容易產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行為和熱處理工藝及顯微組織之間的關系，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焊管為研究對象，研究不同熱處理工藝對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[6-8]。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用20鋼HFW焊管，規格為Φ139.7 mm×7.72 mm，材料的化學成分見表1。

表1 試驗用20鋼的化學成分 %

試樣從焊縫位置切取，每組3個試樣，加工尺寸為Φ15 mm×5 mm，保證焊縫位于試樣的中心位置，試驗面為焊管的內表面。

1.2 理化分析及電化學測試

顯微組織分析在Leica DMI5000M金相顯微鏡上進行，試樣的腐蝕電位及Tafel曲線測試在瑞士萬通PGSTAT128N電化學工作站進行，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0.1 mV/s，介質溶液為3.5%NaCl中性水溶液。電化學測試時，采用逐級剝層的方法，分別測試試樣母材、熱影響區及焊縫的自腐蝕電位及Tafel曲線[9-11]。

1.3 熱處理方法

對HFW焊管的熱處理分別在中頻感應式加熱系統和電阻爐上進行，采用水控冷卻和回火調質的方法，從而獲得不同熱處理狀態下的焊管，具體熱處理工藝見表2。

表2 試驗采用的熱處理工藝

1.4 溝槽試驗

腐蝕環境為3.5%NaCl中性水溶液，采用恒電位電化學極化方法評價焊縫溝槽腐蝕敏感性。試驗儀器為PS/12型恒電位儀，采用三電極系統對試樣施加-550 mV（相對于飽和甘汞參比電極，SCE）極化電位進行陽極極化，極化時間為144 h，試驗溫度室溫。試驗結束后清除試樣表面的腐蝕產物，根據圖1的方法用激光共聚焦顯微鏡測量試樣溝槽幾何參數，計算溝槽腐蝕敏感系數α，

式中：h1—母材的腐蝕深度；

h2—焊縫的腐蝕深度。

當α≥1.3時，一般認為焊管對溝槽腐蝕敏感；當α＜1.3時，焊管對溝槽腐蝕不敏感[12-13]。

圖1 試樣溝槽腐蝕幾何參數測量示意圖

2 結果與討論

2.1 電化學測試

試樣1開路電位Ecorr及慢速極化掃描測定的腐蝕體系電流I=0時對應的電位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律，焊縫和母材區域Ecorr和Ek的最大差值為101 mV和93 mV。試樣1逐層測定的Tafel曲線如圖3所示。

圖2 試樣腐蝕電位在焊縫區域的分布

圖3 試樣1的Tafel曲線

由圖2和圖3的電位分布規律可以看出，試樣焊縫、熱影響區和母材的腐蝕電位由低向高排列，即焊縫相對熱影響區及母材形成局部小陽級，產生的電位差加速焊縫陽極腐蝕速率，從而在焊縫區域產生溝槽腐蝕。

2.2 溝槽敏感系數

采用激光共聚焦顯微鏡測得的溝槽腐蝕形貌如圖4所示。試驗得出20鋼HFW焊管在不同熱處理工藝下的溝槽腐蝕敏感系數α平均值分別為1.32、1.21、1.18、1.14和1.12。

圖4 試樣溝槽腐蝕形貌示意圖

由以上試驗結果可以看出，焊后未經熱處理的試樣溝槽腐蝕敏感系數最高；通過中頻和電阻爐加熱使材料奧氏體化，經水控冷熱處理后，焊縫的溝槽敏感系數有所降低；經過調制熱處理的試樣，焊縫的溝槽腐蝕敏感系數最低。

試樣在室溫條件下，3.5%NaCl中性水溶液中恒電位-550 mV陽極極化144 h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，未經熱處理的試樣1在焊縫位置出現了較深且較寬的溝槽形貌，并且由焊縫中心向熱影響區的溝槽深度逐漸減??；經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??；經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。

圖5 不同熱處理工藝下試樣焊縫溝槽腐蝕宏觀形貌

2.3 顯微組織分析

圖6對比了不同熱處理狀態下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達到了合格的標準；試樣4通過調質熱處理，獲得回火索氏體組織，焊縫區和母材區的組織相對比較均勻，晶粒細化；試樣5是在試樣4的熱處理基礎上進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要小得多，獲得了更好的抗溝槽腐蝕性能。

圖6 不同熱處理狀態焊縫顯微組織

文獻[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歸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、熱影響區及母材的組織均勻、晶粒細化、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 論

（1）20鋼HFW焊管產生溝槽腐蝕的原因為焊縫相對熱影響區及母材形成的電位差，加速了焊縫區域陽極腐蝕速率，在焊縫位置產生了溝槽腐蝕。

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

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

[1]王榮.J55鋼直縫焊油井套管溝槽腐蝕性能研究[J].中國腐蝕與防護學報，2004，24（6）：360-363.

[2]李平，羅逸，許立銘.油水集輸管線中溝槽腐蝕成因分析[J].材料保護，1993，26（6）：6-10.

[3]姜毅，楊海恩，董曉煥，等.油井管內腐蝕及防護[J].石油化工腐蝕與防護，2007，24（2）：20-24.

[4]劉偉，黃憲華，趙家宏，等.油井的腐蝕原因與防護措施[J].腐蝕科學與防護技術，2006，18（6）：448-450.

[5]趙培林，李春傳，周平，等.影響J55鋼組織和性能的因素[J].理化檢驗，2007，43（10）：494-498.

[6]胡鵬飛，文九巴，李全安.國內外油氣管道腐蝕及防護技術研究現狀及進展[J].河南科技大學學報，2003，24（2）：101-104.

[7]李鶴林，韓禮紅.芻議我國油井管產業的發展方向[J].焊管，2009，32（5）：11-14.

[8]呂春雷，曹為民，陳浩，等.應力對直縫高頻電阻焊管溝槽腐蝕的影響[J].腐蝕與防護，2010，31（7）：512-514.

[9]王建.焊縫應力腐蝕裂紋的原因分析及控制措施[J].金屬加工，2010（10）：61-63.

[10]任呈強，劉道新，白真權.高溫高壓環境腐蝕電化學研究用參比電極的制備及性能[J].材料保護，2004，37（4）：35-38.

[11]畢宗岳，劉道新，李軒，等.熱處理對ERW焊縫溝槽腐蝕敏感行為的影響[J].材料熱處理學報，2011,32（2）：48-60.

[12]王力偉，李曉剛，杜翠薇，等.微區電化學測量技術進展及在腐蝕領域的應用[J].中國腐蝕與防護學報，2010（6）：80-85，94.

[13]劉明，王榮，雒設計.J55鋼HFW焊管管體的腐蝕電化學行為[J].焊管，2012（7）：14-18.

[14]王榮.顯微組織和熱處理對直縫電阻焊管溝槽腐蝕的影響[J].金屬學報，2002，38（12）：1281-1286.

[15]畢宗岳，井曉天，鮮林云，等.熱處理對連續油管焊縫溝槽腐蝕行為的影響[J].熱加工工藝，2011（8）：150-153.

Effect of Different Heat Treatment Technology on Grooving Corrosion of HFW Pipes

WANG Tao1，2,REN Yongfeng1，2,HE Shilei1，2,LI Yuanzheng1，2,SHI Yijun1，2,SONG Hongbing1，2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China； 2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co..,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In order to study the effect of different heat treatment technology on grooving corrosion of HFW pipe,the grooving corrosion sensitivity coefficient of 20 steel HFW pipe was measured by adopting constant potentials anodic polarization approach,and carried out microstructure analysis.The results showed that the potential difference in HFW pipe weld,HAZ and base metal is the primary reason for grooving corrosion;the effective heat treatment can make structure well-distributed for weld,HAZ and base metal and grain refinement,and can remarkably reduce grooving corrosion sensitivity coefficient;the grooving corrosion sensitivity resistance under different heat treatment state is quenched-tempered heat treatment＞(intermediate frequency,electric resistance furnace)heating+water cooling＞as welded.

HFW pipe;heat treatment;grooving corrosion

TG172.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.004

王 濤(1982—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事油氣管材腐蝕與防護研究。

2015-11-29

李 超