HFW焊管溝槽腐蝕敏感性評價方法的研究

張盈盈,韓文禮,高進偉,周 冰,曹 杉,孔祥領,陳利紅

(1.中國石油集團工程技術研究院 天津 300451；2.中國石油技術開發公司 北京 100028；3.天津東義鎂制品股份有限公司 天津 301721)

0 引 言

裸露HFW焊管在使用過程中除了發生一般性的均勻腐蝕以外，還會發生稱為“溝槽腐蝕”的局部腐蝕。這種腐蝕發生于熔合線處，形成一條深谷狀或馬蹄狀狹長凹槽。有研究表明，對于普通的碳鋼鋼管，溝槽腐蝕的平均速率約為2.5 mm/a，最大可達9.5 mm/a，可以導致焊管一年或數年內穿孔[1]。嚴重的溝槽腐蝕將影響HFW焊管的可靠性和服役壽命。因此，對HFW焊管進行溝槽腐蝕敏感性評估很有必要。

溝槽腐蝕性能評價方法有長期浸泡法[2]、極化曲線法、電偶腐蝕法、微電極掃描法[3]以及恒電位加速腐蝕法[4-5]。恒電位加速腐蝕法是目前常用的一種做法，具體步驟為：將帶有焊縫和母材的試樣置于3．5%NaC1溶液中，在25 ℃下浸泡144 h(極化電位為-550 mV (Vs SCE))，取出后，切割、磨制金相截面，檢測焊縫區腐蝕溝槽的深度，并采用溝槽腐蝕敏感系數α=1+h2/h1(h1為平均腐蝕失重計算得到的試件平均減薄，h2為溝槽腐蝕最深深度)來判斷焊縫腐蝕的敏感性。當α≤1.3時，認為焊縫溝槽腐蝕不敏感；當α>1.3時，認為焊縫溝槽腐蝕具有一定的敏感性。

采用金相顯微鏡下測量溝槽腐蝕最深深度h2，存在較大的人為誤差：1)加速腐蝕后試樣表面出現溝槽，但是溝槽的腐蝕深度差別不大，用肉眼觀察確定最深腐蝕坑存在誤差；2)采用線切割腐蝕溝槽，切割表面不平整，需要打磨后才能用金相顯微鏡進行觀察，在切割和打磨的過程中，會破壞腐蝕坑的形狀，也會給測量帶來誤差。

本方法與常規恒電位加速試驗的主要區別在于：采用三維激光掃描儀對試樣的表面進行掃描成像，根據測試結果，確定溝槽腐蝕的最深深度h2。利用此方法，不需要對測試后的試樣進行切割，減少了試驗步驟，實現了原位測量。

1 測試方法

1.1 試樣的制備

試驗用試樣直接從直縫焊管上切取。長度以熔合線為中心沿焊管徑向取20 mm，寬度方向沿管的軸向取15 mm，然后沿厚度中心線進行切割，將試樣分為上、下兩部分，試樣如圖1所示。試樣表面磨平、拋光，試樣最終尺寸為20 mm×15 mm×3 mm。

圖1 取樣方式示意圖

1.2 試驗方法

溝槽腐蝕試驗采用恒電位加速腐蝕法，腐蝕介質為3.5%NaCl溶液，測試溫度為25 ℃。

試驗采用三電極體系，輔助電極為Pt片，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。工作電極引出導線后用環氧樹脂密封，留測試面。將測試面磨平、拋光、清洗、脫脂，然后稱重，記錄試驗前重量。

在樣品浸入溶液后，待樣品自腐蝕電位穩定，測試試樣的腐蝕電位，采用恒電位儀進行動電位掃描，得到極化曲線，從曲線上獲取試樣的腐蝕電位Ecorr。極化電位掃描范圍為-0.9～-0.3 V，掃描速率為1 mV/s。

在恒電位儀控制程序中設定電位值為：-|Ecorr+100| mV與-550 mV中數值較大者，儀器數據自動計數頻率為1個/s，總測試時間144 h。

每隔12 h需更換測試溶液(3.5%NaCl溶液)一次，換液時不清洗試樣表面，保持試樣表面腐蝕產物完整。

腐蝕試驗結束后，先用清水沖洗樣品表面，然后用稀HCl進一步清理殘余腐蝕產物(參見GB/T 16545—1996)并吹干，干燥稱重，精確至0.001 g。

稱重后，利用日本奧林巴斯LEXT01S4000三維激光掃描儀對試樣表面進行掃描，每個試樣表面掃描3個位置，選擇最深的位置確定為溝槽最深腐蝕深度h2。

溝槽腐蝕系數計算：α=1+h2/h1。h1由平均腐蝕失重計算得到，h2由三維激光掃描儀測量得到。

2 測試結果

2.1 極化電位的確定

一般采用恒電位極化的方式加速母材和焊縫的腐蝕，極化電位控制在腐蝕電位+100 mV位置。由于每種材料在介質中的腐蝕電位不同，因此需對材料的腐蝕電位進行測量。

測試極化曲線前將樣品浸泡15 min，待自腐蝕電位穩定(變化幅度小于2 mV/min)后再進行腐蝕電位的測量。采用Par2273恒電位儀進行動電位掃描，得到極化曲線，從曲線上獲取試樣的腐蝕電位Ecorr。極化電位掃描范圍為-0.9～-0.3 V，掃描速率為1 mV/s。

試樣的腐蝕電位Ecorr測試曲線見圖2～圖4。

圖2 試樣1極化曲線

圖3 試樣2極化曲線

圖4 試樣3極化曲線

3個試樣的腐蝕電位Ecorr，見表1所示。

表1 試樣腐蝕電位測量值 mV (Vs SCE)

從表1可以看出，3個試樣的Ecorr在-556～-566 mV(Vs SCE)之間，-|Ecorr+100|mV的值大于-550 mV，因此，恒電位極化的電位值為-|Ecorr+100| mV。

2.2 腐蝕深度的測試

2.2.1 溝槽平均減薄計算結果

極化144 h后，清洗試樣表面，干燥后稱重。失重及試樣的平均減薄結果見表2。

表2 試樣失重及平均減薄結果

2.2.2 溝槽腐蝕最深深度測試結果

圖5～圖7是3個測試試樣的三維激光掃描形貌圖，從圖中可以看出焊縫位置腐蝕深度較深。

利用三維激光掃描儀的測試軟件，對測試的三維形貌圖進行分析。每個試樣選擇3個位置進行分析，腐蝕深度最大值確定為h2。表3是3個試樣最深腐蝕深度的分析結果。

圖5 1#試樣三維形貌掃描圖

圖6 2#試樣三維形貌掃描圖

圖7 3#試樣三維形貌掃描圖

表3 三個試樣最深腐蝕深度分析結果 μm

根據測試結果，對3個試樣的溝槽腐蝕系數進行了計算，計算結果見表4。

表4 溝槽腐蝕系數計算結果

從表4可以看出，3個試樣溝槽腐蝕敏感系數分別為1.085、1.106、1.100，均小于1.300，表明試樣焊縫處溝槽腐蝕敏感性低。

3 結 論

加速腐蝕試驗后，試樣表面凹凸不平，利用三維激光形貌儀可以對試樣的腐蝕深度進行多次測量，從而選出腐蝕最深的位置，克服了利用金相方法評估溝槽深度的缺點，簡化了測試方法，縮短了測試時間，有利于產品的檢驗。