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度、韌性及較好的焊接性，在世界范圍內獲得了廣泛的應用。我國西氣東輸二線段干線是目前世界上成功應用X80管線鋼的最長管線。焊接是連接管線鋼的主要技術手段，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系到管線的使用壽命和安全的最關鍵的加工技術。管道大量使用的實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重的經(jīng)濟損失，還有可能造成嚴重的災難性后果，因此有必要對管線鋼與其焊接接頭的耐蝕

2、性進行重點深入研究。
　　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，分析對比了耐蝕性的薄弱環(huán)節(jié)。利用焊接熱模擬技術深入研究了焊接熱輸入對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。同時通過焊接熱模擬技術研究了二次焊接熱循環(huán)峰值溫度對粗晶區(qū)組織及不同環(huán)境中的耐蝕性的

3、影響。
　　通過對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，基體均會發(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-會引起點蝕現(xiàn)象，一定程度上升高溫度有利于抑制點蝕現(xiàn)象的發(fā)生，研究認為是溶液中OH-濃度增加的緣故;在自然浸泡過程中，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

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管線鋼存在嚴重的應力腐蝕傾向，陰極保護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效果降低;而陽極保護能夠促進鈍化膜的產(chǎn)生及修復并抑制裂紋擴展，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果表明，兩種環(huán)境中基體表面均會產(chǎn)生一層硫化物腐蝕產(chǎn)物膜，腐蝕產(chǎn)物的形狀、

5、尺寸、化學組成及晶體結構均隨浸泡時間的變化而變化，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)物厚度達到某臨界值后，腐蝕產(chǎn)物便快速沉淀積累，其速度遠大于在蒸餾水中。試驗發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物膜對基體存在一定的保護作用，可降低基體的腐蝕傾

6、向及腐蝕速率。通過測試在兩種腐蝕介質中，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)兩者之間存在較強的電偶效應，兩者偶合時前者充當陽極而發(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、陽極面積比增加或腐蝕產(chǎn)物覆蓋電極浸泡時間的增加而增加。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)生局部脫落后不會引起基體的嚴重的局部腐蝕。
　　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且組織以粒狀貝氏體為主，細晶區(qū)組織以多邊形鐵素體為主，在鐵素體晶界處可見呈塊狀分布的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)及細晶區(qū)

8、均會發(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，各試樣表面均會產(chǎn)生一層腐蝕產(chǎn)物，且腐蝕產(chǎn)物的化學組成及晶體結構基本不存在差別，但其形貌差異較大，母材及細晶區(qū)試樣表面腐蝕產(chǎn)物規(guī)則、致密性較好，因此其對基體保護效果較好，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，采用Gleeble3500試驗機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)定性先增強后降低，在焊接熱輸入為30 kJ/cm時粗晶區(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，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)先溶解造成的點蝕;隨著焊接熱輸入的增加，點蝕孔的數(shù)目及面積比逐漸減少，在焊接熱輸入為55 kJ/cm時，僅在少量粗大的M/A組元表面可見到較小的點蝕孔，因此隨著焊接熱輸入的增加，粗晶區(qū)耐蝕性逐漸增強。由以上結果可知，為提高粗晶區(qū)的耐蝕性，應根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境來選擇焊接工藝規(guī)范。
　　利用焊接熱模擬技術研究了二次焊接熱循環(huán)對粗晶區(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℃，分別對應再熱粗晶區(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)在加熱過程中的局部奧氏體化及碳原子的有向擴散，導致在冷卻后其原奧氏體晶界處的M/A組元嚴重粗化，這使得臨界粗晶區(qū)成為在25℃的0.5M Na2CO3-1M NaHCO3