2結(jié)果及討論


2.1溝槽腐蝕敏感性系數(shù)計算方法


溝槽腐蝕敏感性的評價采用具有相對意義的溝槽腐蝕敏感性系數(shù)α作為評價指標(biāo),其定義為


α=h2/h1(1)


式中:h2和h1分別為腐蝕試驗前的原始表面到腐蝕溝底的深度和母材的腐蝕深度,mm。


一般認(rèn)為,當(dāng)腐蝕敏感性系數(shù)α≥1.3,HFW焊管具有高的溝槽腐蝕敏感性。溝槽腐蝕示意圖見圖1。

圖1溝槽腐蝕示意


2.2長期浸泡法


溝槽腐蝕是由于焊縫和母材區(qū)域電化學(xué)活性差異而導(dǎo)致的電化學(xué)局部腐蝕。HFW J55焊管經(jīng)過120 d試驗后,測得溝槽腐蝕敏感性系數(shù)見表2。試驗后明顯看到腐蝕的溝,見圖2,由測試圖可看到一條明顯的藍(lán)色腐蝕長溝,此溝為焊縫優(yōu)先腐蝕形成的腐蝕溝,在試樣腐蝕區(qū)域出現(xiàn)大量深淺不同的腐蝕坑,見圖3。

表2浸泡溝槽腐蝕實驗結(jié)果

圖2焊管溝槽腐蝕試驗后剖面形貌

圖3焊管激光共聚焦測試溝槽成像


2.3電化學(xué)極化法


HFW J55焊管經(jīng)過144 h試驗后,測得溝槽腐蝕敏感性系數(shù)見表3。

表3電化學(xué)極化法溝槽腐蝕實驗結(jié)果


溝槽腐蝕形貌見圖4,由圖4明顯可以見到焊縫中心一條被腐蝕的寬溝,附近是點蝕坑。采用德國LSM-700激光共聚焦顯微鏡對溝腐蝕后試樣進(jìn)行激光光路掃描(CSLM)分析,溝槽腐蝕試樣表面形貌見圖5。由圖5可看出不同顏色代表腐蝕后表面的溝深差,藍(lán)色區(qū)域為橫貫上下的焊縫腐蝕溝,且形貌為高低不平的溝壑。

圖4焊管溝槽腐后宏觀形貌

圖5焊管激光共聚焦測試溝槽成像


2.4微電極掃描法


腐蝕過程往往是從局部微區(qū)開始的,而電化學(xué)反應(yīng)電流是微區(qū)腐蝕反應(yīng)的重要特征參數(shù)。掃描振動電極技術(shù)(SVET)是研究微區(qū)電化學(xué)過程的重要手段,該技術(shù)可以測量局部電化學(xué)反應(yīng)電流,表征腐蝕反應(yīng)的過程,評價微區(qū)腐蝕情況。從電化學(xué)腐蝕角度來看,金屬的腐蝕速率可以用單位時間、單位面積上發(fā)生的金屬質(zhì)量的變化來表示。




式中:s為試樣面積,mm2;I為電流強度,mA;J為腐蝕電流密度,mA/cm2;t為時間,min;K為參與反應(yīng)的金屬摩爾質(zhì)量比法拉第常數(shù);Δh為腐蝕深度,mm;h2和h1為腐蝕試驗前的原始表面到腐蝕溝底的深度和母材的腐蝕深度,mm。


從式(2)(3)(4)可以看出,電化學(xué)反應(yīng)速率與腐蝕電流密度成正比,因此可以通過測量不同區(qū)域腐蝕電流密度的大小來表征腐蝕速率的大小和焊縫區(qū)溝槽腐蝕的敏感性。


HFW J55焊管對試樣進(jìn)行掃描,經(jīng)測試在穩(wěn)定后,掃描曲線的結(jié)果溝槽腐蝕敏感系數(shù)見表4。

表4微電極掃描溝槽腐蝕實驗結(jié)果


溝槽腐蝕形貌電流密度分布見圖6,從圖6中可看出在黃色焊縫區(qū)域的腐蝕電流密度較大,綠色區(qū)域為電流密度較小的熱影響區(qū)和母材區(qū)。整體形成的電流密度分布出現(xiàn)高低起伏,為不均勻分布。圖7能清楚的看出在焊縫區(qū)電流密度明顯高于熱影響區(qū)和母材區(qū),從而也說明了焊縫優(yōu)先腐蝕的特點。

圖6焊縫、熱影響區(qū)和母材區(qū)電流密度分布

圖7不同位置腐蝕電流密度分布示意


長期浸泡法、電化學(xué)極化法和微電極掃描法3種試驗方法的溝槽腐蝕敏感系數(shù)分別為1.119,1.178和1.201,從3種試驗方法可以看出長期浸泡法需要時間較長,并且無外界施加電流完全是在自然狀態(tài)下進(jìn)行,并且更接近實際情況。電化學(xué)極化法是給施加了外界電流干擾,加速了溝槽腐蝕而且操作簡單。微電極掃描法也是在無外界干擾的情況下進(jìn)行,試驗周期也短,但設(shè)備昂貴。微電極采集到的電流非常微小,對實驗數(shù)據(jù)的可靠性有待進(jìn)一步研究。從3種試驗方法測試溝槽腐蝕敏感系數(shù)可看出,敏感系數(shù)差距不大,都在小于1.3范圍內(nèi)。


王榮等的研究表明,油套管焊接區(qū)溝槽腐蝕敏感系數(shù)與鋼的含C量密切相關(guān),增加C含量將增大溝槽腐蝕敏感性。進(jìn)一步降低鋼中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.04%~0.08%),可使母材與焊縫的顯微組織均為細(xì)晶鐵素體,可以有效降低溝槽腐蝕敏感性。


Duran等研究了環(huán)境因素對溝槽腐蝕行為的影響,認(rèn)為溝槽腐蝕起源于焊縫區(qū)MnS夾雜,溶液的pH值、O2含量、Cl-含量、流速和溫度等因素均對溝槽腐蝕行為有影響。


在HFW焊接過程的急熱和焊后的急冷過程中,在冷卻轉(zhuǎn)變過程中,熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用于滲碳體流線,產(chǎn)生應(yīng)力集中,在焊縫兩側(cè)形成較高的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力會加速鋼的腐蝕,因此,在焊縫兩側(cè)形成基本對稱的腐蝕溝槽。即使采用焊后的相變熱處理也很難消除這種腐蝕傾向,但長時間的無相變?nèi)?yīng)力退火會顯著降低溝槽腐蝕。


3結(jié)論


(1)通過試驗得出,評價溝槽腐蝕的試驗方法為長期浸泡法、電化學(xué)極化法、微電極掃描法。3種試驗方法的溝槽腐蝕敏感系數(shù)分別為1.119,1.178和1.201。


(2)3種測試方法結(jié)果可看出測量點隨機(jī)性較強,是造成溝槽腐蝕敏感系數(shù)結(jié)果不一致的主要原因。因此在進(jìn)行試驗時應(yīng)對測量點進(jìn)行必要的標(biāo)注,以增加實驗的準(zhǔn)確性。


(3)采用HFW電阻直縫焊接的鋼管,由于焊接過程中焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材熱處理過程中的差異,造成組織結(jié)構(gòu)、晶粒度大小、殘余應(yīng)力的不同,從而產(chǎn)生電化學(xué)性能存在差異,這種差異導(dǎo)致了溝槽腐蝕的發(fā)生。


HFW焊管溝槽腐蝕敏感系數(shù)評價方法:長期浸泡法VS電化學(xué)極化法VS微電極掃描法(一)

HFW焊管溝槽腐蝕敏感系數(shù)評價方法:長期浸泡法VS電化學(xué)極化法VS微電極掃描法(二)