X80管線鋼與其焊接接頭耐蝕性研究.pdf

1、X80管線鋼具有較高的強(qiáng)度、韌性及較好的焊接性，在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)西氣東輸二線段干線是目前世界上成功應(yīng)用X80管線鋼的最長(zhǎng)管線。焊接是連接管線鋼的主要技術(shù)手段，而焊接區(qū)域是管線的薄弱區(qū)域，因此管線鋼的成功焊接是關(guān)系到管線的使用壽命和安全的最關(guān)鍵的加工技術(shù)。管道大量使用的實(shí)踐表明腐蝕已成為管線失效的最重要原因之一，管道爆裂、泄漏等失效不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還有可能造成嚴(yán)重的災(zāi)難性后果，因此有必要對(duì)管線鋼與其焊接接頭的耐蝕

2、性進(jìn)行重點(diǎn)深入研究。
　　本文首先研究了X80管線鋼母材在高pH及H2S環(huán)境中的腐蝕行為，并分析了其腐蝕機(jī)理。然后研究了埋弧焊工藝下焊接接頭各區(qū)域的組織及在不同環(huán)境中的耐蝕性，分析對(duì)比了耐蝕性的薄弱環(huán)節(jié)。利用焊接熱模擬技術(shù)深入研究了焊接熱輸入對(duì)X80管線鋼粗晶區(qū)組織與在不同環(huán)境中耐蝕性的影響，以求從提高粗晶區(qū)耐蝕性的角度，得出較好的焊接熱輸入范圍。同時(shí)通過(guò)焊接熱模擬技術(shù)研究了二次焊接熱循環(huán)峰值溫度對(duì)粗晶區(qū)組織及不同環(huán)境中的耐蝕性的

3、影響。
　　通過(guò)對(duì)X80管線鋼在0.5M Na2CO3-1M NaHCO3溶液中的腐蝕行為的研究，發(fā)現(xiàn)在25～95℃溫度范圍內(nèi)，基體均會(huì)發(fā)生明顯的鈍化現(xiàn)象，但隨著溫度升高鈍化膜的穩(wěn)定性下降，且腐蝕傾向及腐蝕速率升高;在溶液中加入一定含量的Cl-會(huì)引起點(diǎn)蝕現(xiàn)象，一定程度上升高溫度有利于抑制點(diǎn)蝕現(xiàn)象的發(fā)生，研究認(rèn)為是溶液中OH-濃度增加的緣故;在自然浸泡過(guò)程中，基體表面逐漸生成一層腐蝕產(chǎn)物，其成分主要是FeCO3;在穩(wěn)定鈍化區(qū)選取的陽(yáng)

4、極極化電位越高，所產(chǎn)生的鈍化膜的穩(wěn)定性越好;在該溶液中X80管線鋼存在嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕傾向，陰極保護(hù)雖然能夠有效的抑制金屬溶解，但由于氫的引入使得陰極保護(hù)效果降低;而陽(yáng)極保護(hù)能夠促進(jìn)鈍化膜的產(chǎn)生及修復(fù)并抑制裂紋擴(kuò)展，獲得了較好的效果，且在穩(wěn)定鈍化區(qū)選取的電位越大，其保護(hù)效果越好。
　　X80管線鋼在50℃的通飽和H2S的蒸餾水中及NACEA溶液中的腐蝕行為研究結(jié)果表明，兩種環(huán)境中基體表面均會(huì)產(chǎn)生一層硫化物腐蝕產(chǎn)物膜，腐蝕產(chǎn)物的形狀、

5、尺寸、化學(xué)組成及晶體結(jié)構(gòu)均隨浸泡時(shí)間的變化而變化，四方硫鐵均作為初生產(chǎn)物出現(xiàn)，立方FeS為次生產(chǎn)物，在NACE A溶液中腐蝕產(chǎn)物存在明顯的分層現(xiàn)象，并建立了腐蝕產(chǎn)物分層現(xiàn)象的模型。比較而言，基體在NACE A溶液中溶解速率較高。同時(shí)在NACE A溶液中，在浸泡的最初階段，腐蝕產(chǎn)物較難附著在基體表面;但腐蝕產(chǎn)物厚度達(dá)到某臨界值后，腐蝕產(chǎn)物便快速沉淀積累，其速度遠(yuǎn)大于在蒸餾水中。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體存在一定的保護(hù)作用，可降低基體的腐蝕傾

6、向及腐蝕速率。通過(guò)測(cè)試在兩種腐蝕介質(zhì)中，新鮮電極與腐蝕產(chǎn)物覆蓋電極之間的電偶電流，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較強(qiáng)的電偶效應(yīng)，兩者偶合時(shí)前者充當(dāng)陽(yáng)極而發(fā)生優(yōu)先溶解。在偶合后的最初階段，電偶電流較大，且其隨著陰、陽(yáng)極面積比增加或腐蝕產(chǎn)物覆蓋電極浸泡時(shí)間的增加而增加。但電偶電流并不是一直不變的，其隨著偶合時(shí)間的增加而逐漸減小，并最終減小到接近于0，這主要是新鮮電極表面狀態(tài)發(fā)生改變所致，其表面產(chǎn)生了一層新的腐蝕產(chǎn)物，即H2S環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物膜具有較好的自我

7、修復(fù)功能。因此在該環(huán)境中，腐蝕產(chǎn)物膜發(fā)生局部脫落后不會(huì)引起基體的嚴(yán)重的局部腐蝕。
　　研究了X80管線鋼埋弧焊焊接接頭各區(qū)域的組織及耐蝕性，發(fā)現(xiàn)其焊縫組織以針狀鐵素體為主，粗晶區(qū)原奧氏體晶界明顯可見(jiàn)且組織以粒狀貝氏體為主，細(xì)晶區(qū)組織以多邊形鐵素體為主，在鐵素體晶界處可見(jiàn)呈塊狀分布的M/A組元，焊接接頭硬度最高、低值分別位于焊縫及靠近母材的熱影響區(qū)。在25℃的0.5MNa2CO3-1M NaHCO3溶液中，母材、焊縫、粗晶區(qū)及細(xì)晶區(qū)

8、均會(huì)發(fā)生明顯的鈍化現(xiàn)象，母材及焊縫的耐蝕性及鈍化膜穩(wěn)定性相差不大，粗晶區(qū)耐蝕性及鈍化膜穩(wěn)定性最差，而細(xì)晶區(qū)的最好。在55℃的通飽和H2S的5wt.％ NaCl溶液中浸泡96 h后，各試樣表面均會(huì)產(chǎn)生一層腐蝕產(chǎn)物，且腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)組成及晶體結(jié)構(gòu)基本不存在差別，但其形貌差異較大，母材及細(xì)晶區(qū)試樣表面腐蝕產(chǎn)物規(guī)則、致密性較好，因此其對(duì)基體保護(hù)效果較好，而粗晶區(qū)試樣表面腐蝕產(chǎn)物存在較多孔洞，保護(hù)效果較差，因此粗晶區(qū)耐蝕性最差，為焊接接頭耐蝕性的

9、薄弱環(huán)節(jié)。
　　利用焊接熱模擬技術(shù)，采用Gleeble3500試驗(yàn)機(jī)獲得了焊接熱輸入為10～55kJ/cm、峰值溫度為1300℃的X80管線鋼熱模擬粗晶區(qū)試樣。發(fā)現(xiàn)粗晶區(qū)組織以粒狀貝氏體為主，隨焊接熱輸入增加，粗晶區(qū)中粒狀貝氏體板條寬度逐漸增加，且逐漸有鐵素體析出，M/A組元含量先增加后減少，形狀逐漸從針狀變?yōu)榱?。?5℃的0.5M Na2CO3-1M NaHCO3溶液中，雖然母材及粗晶區(qū)均會(huì)發(fā)生鈍化，但粗晶區(qū)鈍化膜穩(wěn)定性較差，

10、且耐蝕性均差于母材;隨著焊接熱輸入的增加，粗晶區(qū)耐蝕性及鈍化膜穩(wěn)定性先增強(qiáng)后降低，在焊接熱輸入為30 kJ/cm時(shí)粗晶區(qū)耐蝕性最好。在55℃的通飽和H2S的5wt.％的NaCl溶液中，粗晶區(qū)耐蝕性均差于母材，且隨著焊接熱輸入增加，粗晶區(qū)耐蝕性逐漸增強(qiáng)，這歸因于其表面腐蝕產(chǎn)物中孔洞的逐漸減少。在25℃通持續(xù)5％CO2/N2的NS4溶液中，粗晶區(qū)耐蝕性依然均差于母材，浸泡2天后，在母材及粗晶區(qū)試樣的M/A組元處可觀察到大量孔洞，這是由于M/

11、A組元或其周邊區(qū)域的優(yōu)先溶解造成的點(diǎn)蝕;隨著焊接熱輸入的增加，點(diǎn)蝕孔的數(shù)目及面積比逐漸減少，在焊接熱輸入為55 kJ/cm時(shí)，僅在少量粗大的M/A組元表面可見(jiàn)到較小的點(diǎn)蝕孔，因此隨著焊接熱輸入的增加，粗晶區(qū)耐蝕性逐漸增強(qiáng)。由以上結(jié)果可知，為提高粗晶區(qū)的耐蝕性，應(yīng)根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境來(lái)選擇焊接工藝規(guī)范。
　　利用焊接熱模擬技術(shù)研究了二次焊接熱循環(huán)對(duì)粗晶區(qū)組織及耐蝕性的影響，其中第一、二次焊接熱循環(huán)熱輸入分別采用30 kJ/cm、10

12、kJ/cm，一次焊接熱循環(huán)峰值溫度為1300℃，二次焊接熱循環(huán)峰值溫度分別為650、780、950、1150及1300℃，分別對(duì)應(yīng)再熱粗晶區(qū)中的亞臨界粗晶區(qū)、臨界粗晶區(qū)、超臨界粗晶區(qū)及不變粗晶區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)二次焊接熱循環(huán)使再熱粗晶區(qū)形成了一系列的組織梯度，其中由于臨界粗晶區(qū)在加熱過(guò)程中的局部奧氏體化及碳原子的有向擴(kuò)散，導(dǎo)致在冷卻后其原奧氏體晶界處的M/A組元嚴(yán)重粗化，這使得臨界粗晶區(qū)成為在25℃的0.5M Na2CO3-1M NaHCO3