鈦管鎢極氬弧焊焊接接頭耐蝕性研究

費(fèi) 東

（海油發(fā)展安全環(huán)保分公司 工程監(jiān)理公司，天津300450）

鈦管鎢極氬弧焊焊接接頭耐蝕性研究

費(fèi) 東

（海油發(fā)展安全環(huán)保分公司 工程監(jiān)理公司，天津300450）

為了研究鈦管鎢極氬弧焊焊接接頭的耐蝕性能，以ASTM B861 Gr2鎢極氬弧焊焊接接頭為研究對象，進(jìn)行了一系列耐蝕性試驗(yàn)研究。通過模擬海水介質(zhì)及在3.5%NaCl+3.5%NaClO溶液中進(jìn)行鈦管鎢極氬弧焊焊接接頭的腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)母材、熱影響區(qū)、焊縫表面的鈍化膜都具有較高的擊破電位，較小的維鈍電流密度，各區(qū)域在兩種腐蝕介質(zhì)中都有良好的耐腐蝕性。試驗(yàn)驗(yàn)證了焊接工藝開發(fā)過程中選用的焊材以及使用的焊接工藝參數(shù)，能夠獲得耐蝕性優(yōu)異的焊接接頭性能。

鈦管；鎢極氬弧焊；焊接接頭；腐蝕介質(zhì)；耐腐蝕性能

鈦及鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性優(yōu)異等特點(diǎn)[1]。目前鈦合金管材越來越多地應(yīng)用到海洋工程的各個領(lǐng)域[2]，例如熱交換器，海下耐壓密封體，海底密封閥門，半潛式生產(chǎn)設(shè)施的工藝管線系統(tǒng)等[3-8]。鈦合金在上述工況環(huán)境下不可避免地涉及到焊接接頭耐腐蝕性的問題，研究鈦焊接接頭在不同的環(huán)境介質(zhì)服役條件下的耐腐蝕特性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

1 焊接接頭的制備

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

鈦管牌號為ASTM B861 Gr2，直徑50.8 mm，壁厚為4 mm，化學(xué)成分見表1。焊材選用純鈦的Gr.1焊絲（牌號OK Tigrod 19.72，直徑2.0 mm），化學(xué)成分見表2。保護(hù)氣體為一級氬氣，純度為99.99%，相對濕度小于5%，水分小于0.001 mg/L。

采用鎢極氬弧焊（GTAW）焊接設(shè)備，使用性能穩(wěn)定的直流氬弧焊機(jī)，焊接時采用直流正接，環(huán)縫氣體保護(hù)拖罩等。

利用上述材料和設(shè)備，對兩根ASTM B861 Gr2鈦合金管進(jìn)行管管對接，以研究該接頭耐蝕性能。

1.2 焊接試樣的制備

根據(jù)QW-402要求，焊接管件的坡口形式如圖1所示。根據(jù)ASME BPV IX—2007中條款QW-461.4坡口焊的試驗(yàn)位置[2]，焊接位置選用5G位置[9]，如圖2所示。

表1 鈦管（ASTM B861Gr.2）化學(xué)成分 %

表2 鈦焊絲（OK Tigrod 19.72）化學(xué)成分 %

圖1 焊接試樣的坡口形式

圖2 焊接位置

1.3 焊接工藝參數(shù)

焊接過程中需注意焊接參數(shù)合理匹配。本研究選用較小的熱輸入，控制在1.5 kJ/mm以下；氬氣的流量：焊槍10 L/min，拖罩10 L/min，管內(nèi)5 L/min；焊接電流均為直流正接。具體焊接參數(shù)見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

2.1 海水腐蝕

2.1.1 電化學(xué)電極電位腐蝕試驗(yàn)

采用電化學(xué)試驗(yàn)方法[10]，介質(zhì)溶液使用模擬海水（3.5%NaCl溶液），分別對鈦管焊接接頭的母材、焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，測量極化曲線，測量焊接接頭各微區(qū)的電位變化，并計算3個區(qū)域的腐蝕電化學(xué)動力參數(shù)，腐蝕電流和腐蝕速率。試驗(yàn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM G5。

（1）試樣加工。對環(huán)焊縫管接頭進(jìn)行機(jī)加工,分別從母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)中截取圓柱形試樣，厚度為4 mm，直徑為8 mm（熱影響區(qū)試樣的測試表面應(yīng)全部落在熱影響區(qū)內(nèi)，每組母材、焊縫和熱影響區(qū)試樣均為3個試樣）。

（2）試驗(yàn)過程。將試樣用釬焊焊在銅導(dǎo)線上，然后將整個試樣用硅膠密封（僅露出試驗(yàn)面），然后對試驗(yàn)面逐級打磨，最后放入干燥器中干燥備用；試驗(yàn)使用單電解池，并需要魯金毛細(xì)管，同時需屏蔽電磁干擾；試驗(yàn)溶液為人工海水（3.5%NaCl溶液）；試驗(yàn)采用電化學(xué)工作站，并采用動電位掃描來測出極化曲線，并經(jīng)過塔菲爾數(shù)據(jù)擬合；計算接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材等3個區(qū)域的腐蝕電化學(xué)動力參數(shù)：腐蝕電流和腐蝕速率。經(jīng)過試驗(yàn)得到極化曲線如圖3所示。

圖3 母材、熱影響區(qū)、焊縫的極化曲線

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析。從圖3可以看出，3條極化曲線有著相同的變化趨勢，說明鈦管鈍化具有3個特點(diǎn)：①致鈍電位低，說明容易鈍化；②穩(wěn)定鈍化電位寬，表明鈍態(tài)穩(wěn)定；③進(jìn)入鈍化區(qū)快。正是由于鈍化膜的存在，鈦合金在海水中有好的耐腐蝕性。

經(jīng)過塔菲爾數(shù)據(jù)擬合，得到母材、熱影響區(qū)及焊縫3個部分的自腐蝕電流和自腐蝕電位，見表4。

對于鈦合金這樣的鈍性材料來說，由于材料能夠自身產(chǎn)生鈍化膜，研究這種材料的抗腐蝕性能，重點(diǎn)是評價材料的鈍化性能，而不是材料的腐蝕電流密度和腐蝕電位。因此，更多的是比較另外兩個電化學(xué)參數(shù)：擊破電位Eb和維鈍電流ipass（見表5）。由表5可以得知，焊縫的擊破電位低于母材和熱影響區(qū)的擊破電位，所以焊縫的耐腐蝕性能略低于母材和熱影響區(qū)。此外由于母材和熱影響區(qū)的擊破電位相近，通過比較維鈍電流密度，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)的耐腐蝕性能優(yōu)于母材。所以得到焊接接頭各區(qū)耐腐蝕性能的結(jié)論如下：熱影響區(qū)＞母材＞焊縫。

表4 母材、熱影響區(qū)、焊縫的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位

表5 母材、熱影響區(qū)、焊縫的維鈍電流和擊破電位

2.1.2 電偶電位腐蝕試驗(yàn)

通過電偶電位腐蝕試驗(yàn)，研究母材與焊縫金屬相耦合時的電偶腐蝕行為，比較發(fā)生電偶腐蝕和未發(fā)生電偶腐蝕的母材失重率的變化。執(zhí)行ASTM G71標(biāo)準(zhǔn)。

（1）試樣加工。對環(huán)焊縫管接頭進(jìn)行機(jī)加工,分別從母材、焊縫金屬中截取圓柱形試樣，厚度為4 mm，直徑為8 mm。每組母材、焊縫試樣均為3個試樣（2個試樣做電偶腐蝕試驗(yàn)，1個試樣作為對比試樣）。

（2）試驗(yàn)過程。具體試驗(yàn)方法和上述的電極電位試驗(yàn)類似，只是電偶電位試驗(yàn)中有兩個工作電極：工作電極Ⅰ和前面一樣，對準(zhǔn)鹽橋出口；工作電極Ⅱ則通過導(dǎo)線連接到儀器前面僅與電源地相連的鐵質(zhì)外殼上。

試驗(yàn)流程為：①對試樣進(jìn)行稱重；②將不同試樣分別配成偶對，不參加反應(yīng)的部分用硅膠封住；③將配好的偶對放入反應(yīng)容器中，添加試驗(yàn)溶液，使液面處于硅膠涂封區(qū)；④試驗(yàn)開始，記錄偶聯(lián)試樣的電偶電位和電偶電流，不斷添加蒸餾水以保持原始液面高度；⑤試驗(yàn)結(jié)束取出試樣，清除腐蝕產(chǎn)物，并除盡硅膠層，烘干稱重，計算失重率；⑥計算對比試樣在靜態(tài)腐蝕條件下的腐蝕速率。

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析。作出母材與焊縫試樣耦合后，電偶電位、電流隨時間的變化曲線，如圖4所示。同時比較發(fā)生電偶腐蝕和未發(fā)生電偶腐蝕的試樣失重率的變化。

圖4 電偶腐蝕曲線

電偶電位腐蝕試驗(yàn)前，母材的質(zhì)量為0.8852g，焊縫的質(zhì)量為1.240 1 g，試驗(yàn)后母材的質(zhì)量變?yōu)?.884 7 g，焊縫質(zhì)量減少為1.239 6 g，即母材減輕了0.000 5 g，焊縫減輕了0.000 5 g；而對比組母材試驗(yàn)前后質(zhì)量不變，為1.038 2 g，焊縫試驗(yàn)前后也沒有變化，為1.325 3 g。說明ASTM B861 Gr.2在海水中擁有出色的耐腐蝕性能。從電偶腐蝕曲線的電流圖上也可以看出，試驗(yàn)過程中電流始終維持在較小的水平上，最大時電流也不超過2×10-8A/cm2，從試驗(yàn)裝置上可以明顯觀察到電極表面會不時有氣泡生成逸出，氣泡的產(chǎn)生會瞬時減少電極的有效面積，使瞬時電流增大。從整個趨勢上來看，電流始終維持在1.092 4×10-8A/cm2左右，從電位的走向上也可以看出，電極電位是一條向下的近似平直直線，電位越來越小，停留在0.111 91 V，腐蝕的驅(qū)動力也就越來越小。通過計算電量曲線上的數(shù)據(jù)，在50 000 s內(nèi)電量從0積累到4.679 1×10-4Q/cm2，整個過程中平均電流為1.08×10-8A。整個過程中，電流和電量均沒有發(fā)生變向，焊縫在過程中始終作陽極，而電偶電極之間電勢差很小，腐蝕驅(qū)動力不高，腐蝕速率相比不大。在相同材料下，只是因焊接熱循環(huán)使得組織晶粒上有少許差別，電偶腐蝕并不嚴(yán)重。參考HB5374-87電偶腐蝕平均標(biāo)準(zhǔn)，在模擬海水中電偶腐蝕敏感性為A級，兩種材料可直接偶接。

2.2 次氯酸鹽腐蝕

2.2.1 電化學(xué)電極電位腐蝕試驗(yàn)

采用電化學(xué)試驗(yàn)方法，介質(zhì)溶液使用次氯酸鹽（3.5%NaCl+3.5%NaClO+93%H2O），分別對鈦管焊接接頭的母材、焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，測量極化曲線，測量焊接接頭各微區(qū)的電位變化，并計算3個區(qū)域的腐蝕電化學(xué)動力參數(shù)，腐蝕電流和腐蝕速率。試驗(yàn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM G5。

（1）試樣加工。對環(huán)焊縫管接頭進(jìn)行機(jī)加工,分別從母材、焊縫金屬和熱影響區(qū)中截取圓柱形試樣，厚度為4 mm，直徑為4 mm。熱影響區(qū)試樣的測試表面應(yīng)全部落在熱影響區(qū)內(nèi)，每組母材、焊縫和熱影響區(qū)試樣均為3個試樣。

（2）試驗(yàn)過程。試驗(yàn)方法與過程與文中2.1.1中相同，試驗(yàn)溶液則為3.5%NaCl+3.5%NaClO+93%H2O；試驗(yàn)同樣采用電化學(xué)工作站，測出極化曲線，并經(jīng)過塔菲爾數(shù)據(jù)擬合；計算接頭焊縫、熱影響區(qū)和母材等3個區(qū)域的腐蝕電化學(xué)動力參數(shù)：腐蝕電流和腐蝕速率。經(jīng)過試驗(yàn)得到極化曲線如圖5所示。

圖5 母材、熱影響區(qū)、焊縫的極化曲線

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析。由圖5可以看出鈦管鈍化的一些特點(diǎn)：①致鈍電位低，說明容易鈍化；②穩(wěn)定鈍化電位寬，表明鈍態(tài)穩(wěn)定；③進(jìn)入鈍化區(qū)快。正是由于鈍化膜的存在，鈦合金在海水中有好的耐腐蝕性。

經(jīng)過塔菲爾數(shù)據(jù)擬合，得到母材、熱影響區(qū)及焊縫3個部分的自腐蝕電流和自腐蝕電位，見表6。

表6 母材、熱影響區(qū)、焊縫的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位

如前所述，對于鈦合金這樣的鈍性材料來說，由于材料能夠自身產(chǎn)生鈍化膜，更多的是比較擊破電位Eb和維鈍電流密度ipass兩個電化學(xué)參數(shù)。圖5的結(jié)果表明，在設(shè)定掃描范圍內(nèi)母材試沒有出現(xiàn)鈍化膜的擊破，所以母材的耐腐蝕性能最優(yōu)。由表7可以得知，熱影響區(qū)的擊破電位高于焊縫的擊破電位，所以焊縫的耐腐蝕性能略低于母材和熱影響區(qū)。因此通過電極電位腐蝕試驗(yàn)可以得到焊接接頭各區(qū)耐腐蝕性能的結(jié)論如下：母材＞熱影響區(qū)＞焊縫。

表7 熱影響區(qū)、焊縫的維鈍電流密度和擊破電位

2.2.2 電偶電位腐蝕試驗(yàn)

通過電偶電位腐蝕試驗(yàn)，研究母材與焊縫金屬相耦合時的電偶腐蝕行為，比較發(fā)生電偶腐蝕和未發(fā)生電偶腐蝕的母材失重率的變化。執(zhí)行ASTM G71標(biāo)準(zhǔn)。

（1）試樣加工。對環(huán)焊縫管接頭進(jìn)行機(jī)加工,分別從母材、焊縫金屬中截取圓柱形試樣，厚度為4 mm，直徑為4 mm。每組母材、焊縫試樣均為3個試樣（2個試樣做電偶腐蝕試驗(yàn)，1個試樣作為對比試樣）。

（2）試驗(yàn)過程。具體試驗(yàn)方法和上述2.1.2中一致。試驗(yàn)過程同樣與2.1.2中一致，最終通過試驗(yàn)計算出失重率和靜態(tài)腐蝕條件下的腐蝕速率。

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析。作出母材與焊縫試樣耦合后，電偶電位、電流隨時間的變化曲線，如圖6所示；同時比較發(fā)生電偶腐蝕和未發(fā)生電偶腐蝕的試樣失重率的變化。

圖6 電偶腐蝕曲線

電偶電位腐蝕試驗(yàn)前母材質(zhì)量為0.164 3 g，焊縫質(zhì)量為0.143 2 g，試驗(yàn)后母材質(zhì)量變?yōu)?.164 2 g，焊縫質(zhì)量為0.143 2 g；對比組母材試驗(yàn)前后質(zhì)量不變，為0.154 7 g，焊縫試驗(yàn)前后質(zhì)量也沒有變化，為0.136 8 g。觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)最大的腐蝕電流始終約為8.5×10-7A/cm2左右。通過計算電量曲線上的數(shù)據(jù)，在28 800 s內(nèi)電量從0積累到0.190 41 Q/cm2，整個過程中平均電流為6.6×10-7A/cm2。整個過程中，電流方向沒有改變。焊縫電位低于母材電位，在試驗(yàn)過程中始終作陽極，而電偶電極之間電勢差很小，腐蝕驅(qū)動力不高，腐蝕速率不大。在相同材料下，只是因焊接熱循環(huán)使得組織晶粒上有少許差別，電偶腐蝕并不嚴(yán)重。說明ASTM B861 Gr.2焊接接頭在次氯酸鹽介質(zhì)中擁有出色的耐腐蝕性能。參考HB5374-87電偶腐蝕平均標(biāo)準(zhǔn)，在3.5%NaCl+3.5%NaClO溶液中電偶腐蝕敏感性為B級，即在一定條件下可以偶接。

3 結(jié) 論

本研究選用ASTM B861 Gr.2鈦管，制定出了焊接工藝及參數(shù)，制備了GTAW管管對接接頭，焊接接頭在模擬海水介質(zhì)及3.5%NaCl+3.5%NaClO溶液下測試了焊接接頭的耐腐蝕性能，主要結(jié)論如下。

（1）通過極化曲線試驗(yàn)和電偶腐蝕試驗(yàn)可以看出，母材、熱影響區(qū)、焊縫表面的鈍化膜都具有較高的擊破電位，較小的維鈍電流密度，各區(qū)域在兩種腐蝕介質(zhì)中都有良好的耐腐蝕性。

（2）兩種介質(zhì)中的電偶腐蝕試驗(yàn)表明，焊縫和母材偶接時，焊縫區(qū)始終為陽極，母材作為陰極。其中，在模擬海水介質(zhì)下的平均腐蝕電流密度小于3.5%NaCl+3.5%NaClO溶液中的平均腐蝕電流密度。

（3）參考HB5374-87電偶腐蝕平均標(biāo)準(zhǔn)，在模擬海水中電偶腐蝕敏感性為A級，兩種材料可直接偶接；在3.5%NaCl+3.5%NaClO溶液中電偶腐蝕敏感性為B級，在一定條件下可以偶接使用。

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Research on Corrosion Resistance of GTAW Welded Joint of Titanium Pipe

FEI Dong
（Project Supervision Company,CNOOC Enter Tech-safety&Environment Protection Co.,Tianjin 300450,China）

In order to research on corrosion resistance of ASTM B861 Gr2 GTAW welded joint of titanium pipe,a series of tests of corrosion resistance had been carried out for the welded joint.Though the corrosion test of GTAW welded joint of titanium pipe in 3.5%NaCl+3.5%NaClO solution by simulated seawater medium,passive films of parent metal,heat affected zone and weld surface all had high breakdown potential,low passivation current density and good corrosion resistance in two mediums.It was verified that welding materials and parameters used in the developing process of welding technology could obtain excellent corrosion resistance of welded joint for the practical engineering application.

titanium pipe;GTAW;welded joint;corrosive medium;corrosion resistance

TG178.2

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.006

費(fèi) 東 （1984—），男，工學(xué)學(xué)士，焊接工程師，目前主要從事海洋工程的焊接工藝開發(fā)設(shè)計及石油石化工程質(zhì)量控制研究工作。

2017-07-27

編輯：張 歌