不同熱處理工藝對(duì)HFW焊管溝槽腐蝕的影響

王 濤 ，任永峰 ，何石磊 ，李遠(yuǎn)征 ，施宜君 ，宋紅兵

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

不同熱處理工藝對(duì)HFW焊管溝槽腐蝕的影響

王 濤1，2，任永峰1，2，何石磊1，2，李遠(yuǎn)征1，2，施宜君1，2，宋紅兵1，2

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

為了研究熱處理工藝對(duì)HFW焊管溝槽腐蝕的影響，采用恒電位陽極極化法測(cè)定了20鋼HFW焊管在不同熱處理工藝條件下的溝槽腐蝕敏感系數(shù)，并進(jìn)行了顯微組織分析。結(jié)果表明，HFW焊管焊縫與熱影響區(qū)、母材的電位差是引起溝槽腐蝕的主要原因；通過有效的熱處理可以使焊縫、熱影響區(qū)及母材的組織均勻、晶粒細(xì)化，能顯著降低溝槽腐蝕敏感系數(shù)；不同熱處理狀態(tài)下抗溝槽腐蝕敏感性能為調(diào)質(zhì)熱處理＞（中頻感應(yīng)、電阻爐）加熱+水冷＞焊態(tài)。

HFW焊管；熱處理；溝槽腐蝕

高頻直縫電阻焊管以其經(jīng)濟(jì)高效、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，在井下套管、油氣集輸管線中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。但是，由于焊縫區(qū)和母材區(qū)之間電化學(xué)性能的差異，使得HFW焊管在服役環(huán)境下容易產(chǎn)生焊縫溝槽狀選擇性腐蝕[4-5]。因此，研究焊管溝槽腐蝕電化學(xué)行為和熱處理工藝及顯微組織之間的關(guān)系，獲得降低焊管溝槽腐蝕敏感性的方法具有重要的意義。筆者選用20鋼HFW焊管為研究對(duì)象，研究不同熱處理工藝對(duì)焊管溝槽腐蝕的影響，為有效控制HFW焊管抗溝槽腐蝕性能提供合理依據(jù)[6-8]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用20鋼HFW焊管，規(guī)格為Φ139.7 mm×7.72 mm，材料的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用20鋼的化學(xué)成分 %

試樣從焊縫位置切取，每組3個(gè)試樣，加工尺寸為Φ15 mm×5 mm，保證焊縫位于試樣的中心位置，試驗(yàn)面為焊管的內(nèi)表面。

1.2 理化分析及電化學(xué)測(cè)試

顯微組織分析在Leica DMI5000M金相顯微鏡上進(jìn)行，試樣的腐蝕電位及Tafel曲線測(cè)試在瑞士萬通PGSTAT128N電化學(xué)工作站進(jìn)行，采用三電極體系，輔助電極為Pt，參比電極為飽和甘汞參比電極，電位掃描速率為0.1 mV/s，介質(zhì)溶液為3.5%NaCl中性水溶液。電化學(xué)測(cè)試時(shí)，采用逐級(jí)剝層的方法，分別測(cè)試試樣母材、熱影響區(qū)及焊縫的自腐蝕電位及Tafel曲線[9-11]。

1.3 熱處理方法

對(duì)HFW焊管的熱處理分別在中頻感應(yīng)式加熱系統(tǒng)和電阻爐上進(jìn)行，采用水控冷卻和回火調(diào)質(zhì)的方法，從而獲得不同熱處理狀態(tài)下的焊管，具體熱處理工藝見表2。

表2 試驗(yàn)采用的熱處理工藝

1.4 溝槽試驗(yàn)

腐蝕環(huán)境為3.5%NaCl中性水溶液，采用恒電位電化學(xué)極化方法評(píng)價(jià)焊縫溝槽腐蝕敏感性。試驗(yàn)儀器為PS/12型恒電位儀，采用三電極系統(tǒng)對(duì)試樣施加-550 mV（相對(duì)于飽和甘汞參比電極，SCE）極化電位進(jìn)行陽極極化，極化時(shí)間為144 h，試驗(yàn)溫度室溫。試驗(yàn)結(jié)束后清除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，根據(jù)圖1的方法用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量試樣溝槽幾何參數(shù)，計(jì)算溝槽腐蝕敏感系數(shù)α，

式中：h1—母材的腐蝕深度；

h2—焊縫的腐蝕深度。

當(dāng)α≥1.3時(shí)，一般認(rèn)為焊管對(duì)溝槽腐蝕敏感；當(dāng)α＜1.3時(shí)，焊管對(duì)溝槽腐蝕不敏感[12-13]。

圖1 試樣溝槽腐蝕幾何參數(shù)測(cè)量示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)測(cè)試

試樣1開路電位Ecorr及慢速極化掃描測(cè)定的腐蝕體系電流I=0時(shí)對(duì)應(yīng)的電位Ek分布如圖2所示。由圖2可以看出，Ecorr和Ek在試樣表面的分布都遵循由焊縫向母材方向逐漸升高的規(guī)律，焊縫和母材區(qū)域Ecorr和Ek的最大差值為101 mV和93 mV。試樣1逐層測(cè)定的Tafel曲線如圖3所示。

圖2 試樣腐蝕電位在焊縫區(qū)域的分布

圖3 試樣1的Tafel曲線

由圖2和圖3的電位分布規(guī)律可以看出，試樣焊縫、熱影響區(qū)和母材的腐蝕電位由低向高排列，即焊縫相對(duì)熱影響區(qū)及母材形成局部小陽級(jí)，產(chǎn)生的電位差加速焊縫陽極腐蝕速率，從而在焊縫區(qū)域產(chǎn)生溝槽腐蝕。

2.2 溝槽敏感系數(shù)

采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)得的溝槽腐蝕形貌如圖4所示。試驗(yàn)得出20鋼HFW焊管在不同熱處理工藝下的溝槽腐蝕敏感系數(shù)α平均值分別為1.32、1.21、1.18、1.14和1.12。

圖4 試樣溝槽腐蝕形貌示意圖

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊后未經(jīng)熱處理的試樣溝槽腐蝕敏感系數(shù)最高；通過中頻和電阻爐加熱使材料奧氏體化，經(jīng)水控冷熱處理后，焊縫的溝槽敏感系數(shù)有所降低；經(jīng)過調(diào)制熱處理的試樣，焊縫的溝槽腐蝕敏感系數(shù)最低。

試樣在室溫條件下，3.5%NaCl中性水溶液中恒電位-550 mV陽極極化144 h后，不同熱處理工藝下的表面腐蝕形貌如圖5所示。

由圖5可以看出，未經(jīng)熱處理的試樣1在焊縫位置出現(xiàn)了較深且較寬的溝槽形貌，并且由焊縫中心向熱影響區(qū)的溝槽深度逐漸減小；經(jīng)熱處理工藝后的試樣2和試樣3焊縫溝槽寬度與未熱處理試樣類似，但深度減小；經(jīng)熱處理工藝后的試樣4和試樣5焊縫溝槽深度及寬度明顯降低，肉眼難以觀察到溝槽腐蝕形貌。

圖5 不同熱處理工藝下試樣焊縫溝槽腐蝕宏觀形貌

2.3 顯微組織分析

圖6對(duì)比了不同熱處理狀態(tài)下HFW焊管的焊縫顯微組織形貌。由圖6可以看出，試樣1焊縫組織由中間白色條帶狀多邊形鐵素體和兩側(cè)上貝氏體組成，這種焊縫組織的抗腐蝕性較差，溝槽腐蝕敏感系數(shù)超過了1.3；試樣2和試樣3分別通過中頻和電阻爐加熱使材料奧氏體化后，再通過水冷獲得了鐵素體+珠光體的顯微組織，其相對(duì)試樣1，顯著降低了焊縫溝槽腐蝕的敏感性，使焊縫的溝槽腐蝕敏感系數(shù)達(dá)到了合格的標(biāo)準(zhǔn)；試樣4通過調(diào)質(zhì)熱處理，獲得回火索氏體組織，焊縫區(qū)和母材區(qū)的組織相對(duì)比較均勻，晶粒細(xì)化；試樣5是在試樣4的熱處理基礎(chǔ)上進(jìn)行了高溫再回火處理，相比試樣4的回火索氏體，其碳化物分布更均勻，因此焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)要小得多，獲得了更好的抗溝槽腐蝕性能。

圖6 不同熱處理狀態(tài)焊縫顯微組織

文獻(xiàn)[14-15]中提到，一般碳錳鋼的抗腐蝕性能主要靠加入微量合金元素來提高，基體金屬和焊縫的腐蝕電位差別主要?dú)w因于微量合金元素的差別。通過本次研究可知，不同程度的熱處理可以使焊縫、熱影響區(qū)及母材的組織均勻、晶粒細(xì)化、成分偏析降低，從而有效提高HFW焊管的抗溝槽腐蝕敏感性。

3 結(jié) 論

（1）20鋼HFW焊管產(chǎn)生溝槽腐蝕的原因?yàn)楹缚p相對(duì)熱影響區(qū)及母材形成的電位差，加速了焊縫區(qū)域陽極腐蝕速率，在焊縫位置產(chǎn)生了溝槽腐蝕。

（2）不同熱處理狀態(tài)下20鋼HFW焊管抗溝槽腐蝕敏感性依次為：調(diào)質(zhì)、調(diào)質(zhì)+再回火＞（中頻感應(yīng)、電阻爐）加熱+水冷＞純焊態(tài)。

（3）通過有效的熱處理可以使焊縫、熱影響區(qū)及母材的組織均勻、晶粒細(xì)化，從而有效降低HFW焊管的溝槽腐蝕敏感性。

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Effect of Different Heat Treatment Technology on Grooving Corrosion of HFW Pipes

WANG Tao1，2,REN Yongfeng1，2,HE Shilei1，2,LI Yuanzheng1，2,SHI Yijun1，2,SONG Hongbing1，2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China； 2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co..,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In order to study the effect of different heat treatment technology on grooving corrosion of HFW pipe,the grooving corrosion sensitivity coefficient of 20 steel HFW pipe was measured by adopting constant potentials anodic polarization approach,and carried out microstructure analysis.The results showed that the potential difference in HFW pipe weld,HAZ and base metal is the primary reason for grooving corrosion;the effective heat treatment can make structure well-distributed for weld,HAZ and base metal and grain refinement,and can remarkably reduce grooving corrosion sensitivity coefficient;the grooving corrosion sensitivity resistance under different heat treatment state is quenched-tempered heat treatment＞(intermediate frequency,electric resistance furnace)heating+water cooling＞as welded.

HFW pipe;heat treatment;grooving corrosion

TG172.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.004

王 濤(1982—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事油氣管材腐蝕與防護(hù)研究。

2015-11-29

李 超