不同热处理工艺对焊管沟槽腐蚀的影响范文

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摘要：

为了研究热处理工艺对HFW焊管沟槽腐蚀的影响，采用恒电位阳极极化法测定了20钢HFW焊管在不同热处理工艺条件下的沟槽腐蚀敏感系数，并进行了显微组织分析。结果表明，HFW焊管焊缝与热影响区、母材的电位差是引起沟槽腐蚀的主要原因；通过有效的热处理可以使焊缝、热影响区及母材的组织均匀、晶粒细化，能显著降低沟槽腐蚀敏感系数；不同热处理状态下抗沟槽腐蚀敏感性能为调质热处理＞（中频感应、电阻炉）加热+水冷＞焊态。

关键词：

HFW焊管；热处理；沟槽腐蚀

高频直缝电阻焊管以其经济高效、尺寸精度高等优点，在井下套管、油气集输管线中得到了广泛应用[1-3]。但是，由于焊缝区和母材区之间电化学性能的差异，使得HFW焊管在服役环境下容易产生焊缝沟槽状选择性腐蚀[4-5]。因此，研究焊管沟槽腐蚀电化学行为和热处理工艺及显微组织之间的关系，获得降低焊管沟槽腐蚀敏感性的方法具有重要的意义。笔者选用20钢HFW焊管为研究对象，研究不同热处理工艺对焊管沟槽腐蚀的影响，为有效控制HFW焊管抗沟槽腐蚀性能提供合理依据[6-8]。

1试验材料及方法

1.1试验材料试验材料选用20钢HFW焊管，规格为Φ139.7mm×7.72mm，材料的化学成分见表1。试样从焊缝位置切取，每组3个试样，加工尺寸为Φ15mm×5mm，保证焊缝位于试样的中心位置，试验面为焊管的内表面。

1.2理化分析及电化学测试显微组织分析在LeicaDMI5000M金相显微镜上进行，试样的腐蚀电位及Tafel曲线测试在瑞士万通PGSTAT128N电化学工作站进行，采用三电极体系，辅助电极为Pt，参比电极为饱和甘汞参比电极，电位扫描速率为0.1mV/s，介质溶液为3.5%NaCl中性水溶液。电化学测试时，采用逐级剥层的方法，分别测试试样母材、热影响区及焊缝的自腐蚀电位及Tafel曲线[9-11]。

1.3热处理方法对HFW焊管的热处理分别在中频感应式加热系统和电阻炉上进行，采用水控冷却和回火调质的方法，从而获得不同热处理状态下的焊管，具体热处理工艺见表2。

1.4沟槽试验腐蚀环境为3.5%NaCl中性水溶液，采用恒电位电化学极化方法评价焊缝沟槽腐蚀敏感性。试验仪器为PS/12型恒电位仪，采用三电极系统对试样施加-550mV（相对于饱和甘汞参比电极，SCE）极化电位进行阳极极化，极化时间为144h，试验温度室温。试验结束后清除试样表面的腐蚀产物，根据图1的方法用激光共聚焦显微镜测量试样沟槽几何参数，计算沟槽腐蚀敏感系数α，α＝h2/h1，（1）式中：h1—母材的腐蚀深度：h2—焊缝的腐蚀深度。当α≥1.3时，一般认为焊管对沟槽腐蚀敏感；当α＜1.3时，焊管对沟槽腐蚀不敏感[12-13]。

2结果与讨论

2.1电化学测试试样1开路电位Ecorr及慢速极化扫描测定的腐蚀体系电流I=0时对应的电位Ek分布如图2所示。由图2可以看出，Ecorr和Ek在试样表面的分布都遵循由焊缝向母材方向逐渐升高的规律，焊缝和母材区域Ecorr和Ek的最大差值为101mV和93mV。试样1逐层测定的Tafel曲线如图3所示。由图2和图3的电位分布规律可以看出，试样焊缝、热影响区和母材的腐蚀电位由低向高排列，即焊缝相对热影响区及母材形成局部小阳级，产生的电位差加速焊缝阳极腐蚀速率，从而在焊缝区域产生沟槽腐蚀。

2.2沟槽敏感系数采用激光共聚焦显微镜测得的沟槽腐蚀形貌如图4所示。试验得出20钢HFW焊管在不同热处理工艺下的沟槽腐蚀敏感系数α平均值分别为1.32、1.21、1.18、1.14和1.12。由以上试验结果可以看出，焊后未经热处理的试样沟槽腐蚀敏感系数最高；通过中频和电阻炉加热使材料奥氏体化，经水控冷热处理后，焊缝的沟槽敏感系数有所降低；经过调制热处理的试样，焊缝的沟槽腐蚀敏感系数最低。试样在室温条件下，3.5%NaCl中性水溶液中恒电位-550mV阳极极化144h后，不同热处理工艺下的表面腐蚀形貌如图5所示。  由图5可以看出，未经热处理的试样1在焊缝位置出现了较深且较宽的沟槽形貌，并且由焊缝中心向热影响区的沟槽深度逐渐减小；经热处理工艺后的试样2和试样3焊缝沟槽宽度与未热处理试样类似，但深度减小；经热处理工艺后的试样4和试样5焊缝沟槽深度及宽度明显降低，肉眼难以观察到沟槽腐蚀形貌。

2.3显微组织分析图6对比了不同热处理状态下HFW焊管的焊缝显微组织形貌。由图6可以看出，试样1焊缝组织由中间白色条带状多边形铁素体和两侧上贝氏体组成，这种焊缝组织的抗腐蚀性较差，沟槽腐蚀敏感系数超过了1.3；试样2和试样3分别通过中频和电阻炉加热使材料奥氏体化后，再通过水冷获得了铁素体+珠光体的显微组织，其相对试样1，显著降低了焊缝沟槽腐蚀的敏感性，使焊缝的沟槽腐蚀敏感系数达到了合格的标准；试样4通过调质热处理，获得回火索氏体组织，焊缝区和母材区的组织相对比较均匀，晶粒细化；试样5是在试样4的热处理基础上进行了高温再回火处理，相比试样4的回火索氏体，其碳化物分布更均匀，因此焊缝沟槽腐蚀敏感系数要小得多，获得了更好的抗沟槽腐蚀性能。文献[14-15]中提到，一般碳锰钢的抗腐蚀性能主要靠加入微量合金元素来提高，基体金属和焊缝的腐蚀电位差别主要归因于微量合金元素的差别。通过本次研究可知，不同程度的热处理可以使焊缝、热影响区及母材的组织均匀、晶粒细化、成分偏析降低，从而有效提高HFW焊管的抗沟槽腐蚀敏感性。

3结论

（1）20钢HFW焊管产生沟槽腐蚀的原因为焊缝相对热影响区及母材形成的电位差，加速了焊缝区域阳极腐蚀速率，在焊缝位置产生了沟槽腐蚀。

（2）不同热处理状态下20钢HFW焊管抗沟槽腐蚀敏感性依次为：调质、调质+再回火>（中频感应、电阻炉）加热+水冷>纯焊态。

（3）通过有效的热处理可以使焊缝、热影响区及母材的组织均匀、晶粒细化，从而有效降低HFW焊管的沟槽腐蚀敏感性。

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作者：王涛 任永峰 何石磊 李远征 施宜君 宋红兵 单位：国家石油天然气管材工程技术研究中心 宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院