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[防腐设计] 碳钢焊接接头腐蚀行为分析

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发表于 2020-3-2 09:11:43 | 显示全部楼层 |阅读模式

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碳钢焊接接头腐蚀行为分析

王振品 孟凡鸿 王泽三
(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266000)
【中国汽车材料网】摘 要:焊接技术被广泛应用于油气管线的连接中,而管线焊接接头在服役过程中常受到环境介质腐蚀的影响,造成管线失效事故频发,本文对焊接接头的腐蚀行为进行研究。
关键词:焊接接头;极化曲线;电偶电流

1 焊接接头腐蚀类型
在模拟油田地层水中,3Cr低合金管线钢焊接接头各部分耦合后,焊缝的自腐蚀电位正于耦合电位,作为电偶对的主要阴极,腐蚀减缓,而母材的自腐蚀电位负于耦合电位,作为电偶对的主要阳极,腐蚀加速。DH36海洋用钢焊接件在海水中各个部分的开路电位大小关系为焊缝>母材>热影响区,各部分之间有发生电偶腐蚀的倾向,但产生的电偶腐蚀速率较小,对油气输送管线用1518低碳钢焊接接头断裂件进行了失效分析,认为失效的主要原因是选用不正确的焊接工艺参数引起焊缝和热影响区组织粗化,组织不均一导致电偶效应,焊接接头不同组成部分在腐蚀介质中发生电偶腐蚀,导致失效。
1.2 点蚀

X56管线钢纵焊缝接头在海水中的暴露实验结果表明,在0~55周的浸泡周期内,热影响区的最大点蚀深度较母材和焊缝高出25%;随着时间的延长,焊接接头不同区域的最大点蚀深度均迅速增加;3.5年后,热影响区的最大点蚀深度比母材和焊缝高出50%~100%。他们认为,热影响区最大点蚀深度的迅速增加与阳极活性位点的增加有关,而在这些活性位点处,存在着大量的显微组织缺陷。X80管线钢焊接接头各组成部分在NACE溶液中的点蚀倾向为焊缝>热影响区>母材;在靠近热影响区的母材区某些位置也可能会出现一些腐蚀较严重的活性位点,成为影响焊接接头服役安全的潜在威胁。使用微型电解池研究了304、316L两种奥氏体不锈钢焊接接头在1mol/LH2SO4+5mol/LNaCl溶液中的点蚀行为。他们发现,两种焊接接头的热影响区均是点蚀的最敏感区域,但是316L焊接接头的耐点蚀性能要高于304不锈钢。上述研究表明,焊接接头的各个部分都有发生点蚀的风险,并且焊缝和热影响区对点蚀的敏感性较母材要高。

1.3 晶间腐蚀

研究结果表明,两种焊接接头的热影响区均是晶间腐蚀的最敏感区域,晶间腐蚀敏感性与碳化铬的析出程度有关,析出程度越高,晶间腐蚀敏感性越强。采用钨极氩弧焊技术制得了Super304H钢焊接接头,其焊缝和母材组织均为单一的奥氏体和一定数量的析出相,焊接接头中未探测到明显的Cr23C6析出相,呈现出较弱的晶间腐蚀倾向。超级马氏体不锈钢电子束焊焊接接头的晶间腐蚀敏感性由母材到焊缝递减,焊缝部分由于冷却速度快,碳化铬析出程度低;热影响区部分受热作用影响,部分碳化铬溶解,因而具有和焊缝相当的晶间腐蚀敏感性;母材部分的晶间腐蚀敏感性随含碳量的增加而增强。

2 碳钢焊接接头腐蚀
2.1 碳钢焊接接头腐蚀模拟与试验验证

表1为不同温度下焊缝与母材的电化学参数,利用这些参数在COMSOL软件中进行5天后的腐蚀形貌预测,结果如图1所示。从图中可以看出,30和90℃时接头焊缝的腐蚀深度相近,且均小于60℃时接头焊缝的腐蚀深度.30,60和90℃时的焊缝与母材度差分别为11.6,36.4和12.6μm.图2为VEECO光学轮廓仪测试的三种温度下接头浸泡5天后的表面形貌.从图中可以看出,30,60和90℃时的焊缝与母材高度差分别为10.4,31.0和11.3μm.三种温度下焊缝腐蚀模拟相对误差分别为11.5%,17.4%和11.5%.习惯上将预测相对误差小于10%的称为高精度预测,相对误差在10%~20%的称为好的预测,相对误差在20%~50%的称为可行的预测。可以看出,文中提出的接头腐蚀模拟方法属于好的预测。

表1 不同温度下焊缝与母材的电化学参数
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2.2 焊缝余高对焊缝金属腐蚀速率的影响

焊缝余高常常影响接头力学性能,为了研究余高对焊缝金属腐蚀速率的影响,采用不同高度(-1,0,+0.5和+1.5mm)的余高,结合前面的腐蚀模型,采用90℃下的电化学参数,在COMSOL软件中模拟浸泡30天后的电位分布及电流流向如图1所示,图中的电位色标单位为V.从图中可以看出30天后,不同余高的接头表面电位差异不大。并且在不同余高下的焊缝金属腐蚀深度相近。这是由于在材料和测试体系给定的条件下,阳极溶解腐蚀电流密度仅与阴阳极面积比相关,而焊缝余高改变所导致的焊缝金属表面积改变不大,故阴阳极面积比差异不大.因此,焊缝金属在不同余高下的腐蚀速率变化不大。

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图1 模拟浸泡30天后接头电位分布及电流流向

2.3 焊缝与母材面积比对焊缝金属腐蚀速率的影响

由于焊接热循环的作用,使得接头各个区域的成分和组织不均匀,特别是焊缝金属耐蚀性小于母材的情况下,母材面积大于焊缝面积,形成“小阳极,大阴极”的电偶腐蚀,这加速了焊缝金属的腐蚀。为了探明这种加速腐蚀的程度,采用90℃下的电化学参数,焊缝余高为+1.5mm,在COMSOL软件中模拟不同面积比的接头30天后焊缝中心的腐蚀深度,当焊缝与母材的面积比小于1∶16时,母材面积增大对焊缝金属的腐蚀影响不大。这是由于较远处的母材金属对电偶腐蚀过程中的物质传输和电荷传递没有意义。因此,在现场焊接时对坡口附近的金属进行涂覆,减小阴极面积,将会减小焊缝金属由于形成电偶对而被加速腐蚀的程度。

3 结束语

焊接接头存在宏观腐蚀电池与微观腐蚀电池耦合的多相电化学反应,从而引起腐蚀,如电偶腐蚀、点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等,可能导致整个构件失效,引发严重的安全事故,造成重大的经济损失甚至人身伤亡。这对于理解碳钢焊接接头的腐蚀行为具有重要意义。




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