J55 HFW焊管溝槽腐蝕敏感性試驗方法研究*

任永峰，王 濤，劉新成，施宜君，田小江，苑清英，李小龍

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

?

J55 HFW焊管溝槽腐蝕敏感性試驗方法研究*

任永峰1，2，王 濤1，2，劉新成1，2，施宜君1，2，田小江1，2，苑清英1，2，李小龍1，2

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

溝槽腐蝕性能是評價高頻焊接(HFW) 焊管產品的重要性能指標之一，采用3種溝槽腐蝕敏感系數評價方法(長期浸泡法、電化學極化法和微電極掃描法)對J55 HFW 焊管進行了對比性研究，溝槽腐蝕敏感系數分別為1.119，1.178和1.201。通過試驗方法的對比，探討如何更加準確地評價HFW焊管溝槽腐蝕試驗方法。

J55焊管 溝槽腐蝕敏感系數 長期浸泡法 電化學極化法 微電極掃描法

高頻焊接(HFW)焊管在應用過程中的腐蝕一般發生于熔合線處，其主要特征是在熔合線附近形成一條深溝狀或馬蹄狀狹長凹槽，有時溝槽內還有2至3 個可明顯區分的條帶[1-3]，一般將這種腐蝕形態形象地稱為溝槽腐蝕。20世紀70年代初這種腐蝕現象引起人們的重視并開始此方面的研究工作。

該文采用長期浸泡法、電化學極化法和微電極掃描法3種測試方法對J55 HFW鋼級焊管進行了對比性研究,對比了3種J55 HFW鋼級焊管不同測試方法對溝槽腐蝕影響敏感系數,為更好的研究HFW油管溝槽腐蝕性能敏感性提供理論依據。

1 實驗材料及方法

1.1 試驗材料

國產J55 HFW焊管化學成分見表1。

表1 實驗材料化學成分 w,%

1.2 長期浸泡法

試驗材料選用國產J55 HFW焊管，切取的試樣為10 mm×10 mm×5 mm，使焊縫位于試樣中央，在試樣的邊緣處鉆2 mm小孔，用于懸掛試樣于腐蝕溶液中。試樣經砂紙打磨，然后采用酒精清洗脫脂、烘干，采用外經千分尺測量試樣的尺寸。

腐蝕溶液為3.5%NaCl溶液，在室溫浸泡試樣，待腐蝕120 d后，取出試樣，采用毛刷機械法清除試樣表面的腐蝕產物，采用酒精清洗脫脂、烘干，腐蝕后的試樣采用蔡司LSM-700激光共聚焦顯微鏡對其溝槽腐蝕深度進行測量。

1.3 電化學極化法

試驗材料選用國產J55 HFW油管，取φ15 mm×5 mm 圓片試樣，使焊縫位于試樣的中央，腐蝕環境為3.5%NaCl溶液，溝槽腐蝕試驗應用恒電位電化學極化方法, 采用三電極體系, 輔助電極為鉑電極(Pt) 。對試樣施加-550 mV 的恒電位(相對于SCE), 試樣處于陽極極化狀態, 焊縫和母材的電化學驅動力不同[4], 極化144 h測量腐蝕溝槽的幾何參數, 計算溝槽腐蝕的敏感性系數。試驗完成后利用蔡司LSM-700激光共聚焦顯微鏡對其溝槽腐蝕深度進行測量。

1.4 微電極掃描法

試驗采用微電極掃描振動電極技術(SVET)，該技術是利用掃描振動探針(SVP)在不接觸樣品表面的情況下 ,檢測樣品在溶液中局部腐蝕電位的一種新技術。從電化學腐蝕角度來看，金屬的腐蝕速率可以用單位時間、單位面積上發生的金屬質量的變化來表示[5]。

從HFW焊管上切割樣品，大小為10 mm×10 mm×2 mm，確保焊縫區處于試樣中心線。樣品表面用SiC砂紙逐級打磨至2000號后經機械拋光、丙酮除油和酒精清洗，腐蝕介質選擇一定質量濃度的NaCl溶液，掃描電極沿垂直于焊縫方向從母材區開始掃描，穿過焊縫進入另一側母材區后結束。通過檢測樣品在溶液中不同區域的腐蝕電流密度(焊縫區、熱影響區和母材)，測量溝槽腐蝕敏感性系數α′=J1/J2(J1為焊縫區電流密度，mA/cm2;J2為母材及熱影響區電流密度,mA/cm2)。

2 結果及討論

2.1 溝槽腐蝕敏感性系數計算方法

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α作為評價指標, 其定義為

(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。

一般認為,當腐蝕敏感性系數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域電化學活性差異而導致的電化學局部腐蝕。 HFW J55焊管經過120 d試驗后，測得溝槽腐蝕敏感性系數見表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色腐蝕長溝，此溝為焊縫優先腐蝕形成的腐蝕溝，在試樣腐蝕區域出現大量深淺不同的腐蝕坑，見圖3。

表2 浸泡溝槽腐蝕實驗結果

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 電化學極化法

HFW J55焊管經過144 h試驗后，測得溝槽腐蝕敏感性系數見表3。

表3 電化學極化法溝槽腐蝕實驗結果

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，藍色區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開始的，而電化學反應電流是微區腐蝕反應的重要特征參數。掃描振動電極技術(SVET)是研究微區電化學過程的重要手段，該技術可以測量局部電化學反應電流，表征腐蝕反應的過程，評價微區腐蝕情況。 從電化學腐蝕角度來看，金屬的腐蝕速率可以用單位時間、單位面積上發生的金屬質量的變化來表示[6]。

(2)

(3)

(4)

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為參與反應的金屬摩爾質量比法拉第常數;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，電化學反應速率與腐蝕電流密度成正比，因此可以通過測量不同區域腐蝕電流密度的大小來表征腐蝕速率的大小和焊縫區溝槽腐蝕的敏感性。

HFW J55焊管對試樣進行掃描，經測試在穩定后，掃描曲線的結果溝槽腐蝕敏感系數見表4。

表4 微電極掃描溝槽腐蝕實驗結果

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域的腐蝕電流密度較大，綠色區域為電流密度較小的熱影響區和母材區。整體形成的電流密度分布出現高低起伏，為不均勻分布。圖7能清楚的看出在焊縫區電流密度明顯高于熱影響區和母材區，從而也說明了焊縫優先腐蝕的特點。

圖6 焊縫、熱影響區和母材區電流密度分布

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下進行,并且更接近實際情況。電化學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行，試驗周期也短，但設備昂貴。微電極采集到的電流非常微小，對實驗數據的可靠性有待進一步研究。從3種試驗方法測試溝槽腐蝕敏感系數可看出，敏感系數差距不大，都在小于1.3范圍內。

王榮等的研究表明[7]，油套管焊接區溝槽腐蝕敏感系數與鋼的含C 量密切相關，增加C 含量將增大溝槽腐蝕敏感性。進一步降低鋼中C的質量分數(0.04 %～0.08 %)，可使母材與焊縫的顯微組織均為細晶鐵素體，可以有效降低溝槽腐蝕敏感性。

Duran[8]等研究了環境因素對溝槽腐蝕行為的影響，認為溝槽腐蝕起源于焊縫區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，在冷卻轉變過程中，熱應力和組織應力共同作用于滲碳體流線，產生應力集中，在焊縫兩側形成較高的殘余應力[9]。殘余應力會加速鋼的腐蝕，因此，在焊縫兩側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，但長時間的無相變去應力退火會顯著降低溝槽腐蝕[10]。

3 結 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、電化學極化法、微電極掃描法。3種試驗方法的溝槽腐蝕敏感系數分別為1.119，1.178和1.201。

(2)3種測試方法結果可看出測量點隨機性較強，是造成溝槽腐蝕敏感系數結果不一致的主要原因。因此在進行試驗時應對測量點進行必要的標注，以增加實驗的準確性。

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

[1] Kato C,Otoguro Y,Kado S,et al. Grooving Corrosion in Electric Resistance Weld Steel Pipe in Sea Water[J]. Corrosin Science, 1978,18 (1):61-74.

[2] Kurisu T, Kyuno T, Harada S, et al. Effect of Warious Factors, Mechanisms and Preventive Methods of Grooving Corrsion of ERW and CBW Carbon Steel Pipes[J].Kawasaki Steel Technical Report,1979,11(3)：321-336.

[3] 高慧臨.管線鋼 — 組織、 性能、 焊接行為 [M] 西安: 陜西科學技術出版社,1995:151.

[4] 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.

[5] 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.

[6] 劉永輝，張佩芳.金屬腐蝕學原理[M].北京：航空工業出版，1993：8-10.

[7] 畢宗岳, 任永峰, 井曉天. 微電極掃描法對 HFW 焊縫溝槽腐蝕敏感性研究[J]. 焊管, 2011, 34(10): 5-8.

[8] Seo B M,Lee J . Effect on Grooving Corrosion Susceptibility of Electric Resistance Welded Steel Pipe[J].Journal of the Corrosion Science Society of Korea,2000,29(3)：148-152.

[9] Duren C, Treiss E.The Resistance of High Frequency Inductive Weld Pipe to Grooving Corrosion in Salt Water[J].Materials Performance,1986,25(9)：41-48.

[10]肖紀美， 金屬的韌性與韌化[M].上海:上海科學技術出版社，1982:471.

(編輯 寇岱清)

Research on Test Methods of Groove Corrosion Sensitivity for J55 HFW Welded Pipe

RenYongfeng1,2,WangTao1,LiuXincheng1,2,ShiYijun1,2,TianXiaojiang1,2,YuanQingying1,2,LiXiaolong1,2

(1.ResearchInstituteofBaojiPetroleumSteelPipeCo.,Ltd.,Baoji721008,China) 2.NationalPetroleumandGasTubularGoodsEngineeringTechnologyResearchCenter,Baoji721008,China)

Groove corrosion is one of the important performance index of HFW pipe products. In this paper, J55 HFW pipes have been comparatively studied by three evaluation methods for groove corrosion sensitivity coefficient, i.e. long-term immersion method, electrochemical polarization method and microelectrode scanning method. The groove corrosion sensitivity coefficients are 1.119, 1.178 and 1.201 respectively. Through comparison of test methods, how to more accurately evaluate HFW pipe groove corrosion test method is studied.

J55 JFW pipe, groove corrosion sensitivity coefficient, long-term emersion method, electrical chemical polarization method, microresitivity scanning method

2016-03-28；修改稿收到日期：2016-05-05。

任永峰(1971-)，工程師，主要從事油氣管材耐腐蝕性研究工作。E-mail:renyongfeng8812@163.com

國家科技支撐計劃“高強度耐腐蝕石油天然氣集輸與輸送用管線鋼生產技術”(2011BAE25B03)。