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摘要：

為了研究熱處理工藝對HFW焊管溝槽腐蝕的影響，采用恒電位陽極極化法測定了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，并進行了顯微組織分析。結果表明，HFW焊管焊縫與熱影響區、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、熱影響區及母材的組織均勻、晶粒細化，能顯著降低溝槽腐蝕敏感系數；不同熱處理狀態下抗溝槽腐蝕敏感性能為調質熱處理＞（中頻感應、電阻爐）加熱+水冷＞焊態。

關鍵詞：

HFW焊管；熱處理；溝槽腐蝕

高頻直縫電阻焊管以其經濟高效、尺寸精度高等優點，在井下套管、油氣集輸管線中得到了廣泛應用[1-3]。但是，由于焊縫區和母材區之間電化學性能的差異，使得HFW焊管在服役環境下容易產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行為和熱處理工藝及顯微組織之間的關系，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焊管為研究對象，研究不同熱處理工藝對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[6-8]。

1試驗材料及方法

1.1試驗材料試驗材料選用20鋼HFW焊管，規格為Φ139.7mm×7.72mm，材料的化學成分見表1。試樣從焊縫位置切取，每組3個試樣，加工尺寸為Φ15mm×5mm，保證焊縫位于試樣的中心位置，試驗面為焊管的內表面。

1.2理化分析及電化學測試顯微組織分析在LeicaDMI5000M金相顯微鏡上進行，試樣的腐蝕電位及Tafel曲線測試在瑞士萬通PGSTAT128N電化學工作站進行，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0.1mV/s，介質溶液為3.5%NaCl中性水溶液。電化學測試時，采用逐級剝層的方法，分別測試試樣母材、熱影響區及焊縫的自腐蝕電位及Tafel曲線[9-11]。

1.3熱處理方法對HFW焊管的熱處理分別在中頻感應式加熱系統和電阻爐上進行，采用水控冷卻和回火調質的方法，從而獲得不同熱處理狀態下的焊管，具體熱處理工藝見表2。

1.4溝槽試驗腐蝕環境為3.5%NaCl中性水溶液，采用恒電位電化學極化方法評價焊縫溝槽腐蝕敏感性。試驗儀器為PS/12型恒電位儀，采用三電極系統對試樣施加-550mV（相對于飽和甘汞參比電極，SCE）極化電位進行陽極極化，極化時間為144h，試驗溫度室溫。試驗結束后清除試樣表面的腐蝕產物，根據圖1的方法用激光共聚焦顯微鏡測量試樣溝槽幾何參數，計算溝槽腐蝕敏感系數α，α＝h2/h1，（1）式中：h1—母材的腐蝕深度：h2—焊縫的腐蝕深度。當α≥1.3時，一般認為焊管對溝槽腐蝕敏感；當α＜1.3時，焊管對溝槽腐蝕不敏感[12-13]。

2結果與討論

2.1電化學測試試樣1開路電位Ecorr及慢速極化掃描測定的腐蝕體系電流I=0時對應的電位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律，焊縫和母材區域Ecorr和Ek的最大差值為101mV和93mV。試樣1逐層測定的Tafel曲線如圖3所示。由圖2和圖3的電位分布規律可以看出，試樣焊縫、熱影響區和母材的腐蝕電位由低向高排列，即焊縫相對熱影響區及母材形成局部小陽級，產生的電位差加速焊縫陽極腐蝕速率，從而在焊縫區域產生溝槽腐蝕。

2.2溝槽敏感系數采用激光共聚焦顯微鏡測得的溝槽腐蝕形貌如圖4所示。試驗得出20鋼HFW焊管在不同熱處理工藝下的溝槽腐蝕敏感系數α平均值分別為1.32、1.21、1.18、1.14和1.12。由以上試驗結果可以看出，焊后未經熱處理的試樣溝槽腐蝕敏感系數最高；通過中頻和電阻爐加熱使材料奧氏體化，經水控冷熱處理后，焊縫的溝槽敏感系數有所降低；經過調制熱處理的試樣，焊縫的溝槽腐蝕敏感系數最低。試樣在室溫條件下，3.5%NaCl中性水溶液中恒電位-550mV陽極極化144h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，未經熱處理的試樣1在焊縫位置出現了較深且較寬的溝槽形貌，并且由焊縫中心向熱影響區的溝槽深度逐漸減小；經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。

2.3顯微組織分析圖6對比了不同熱處理狀態下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達到了合格的標準；試樣4通過調質熱處理，獲得回火索氏體組織，焊縫區和母材區的組織相對比較均勻，晶粒細化；試樣5是在試樣4的熱處理基礎上進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要小得多，獲得了更好的抗溝槽腐蝕性能。文獻[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歸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、熱影響區及母材的組織均勻、晶粒細化、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結論

（1）20鋼HFW焊管產生溝槽腐蝕的原因為焊縫相對熱影響區及母材形成的電位差，加速了焊縫區域陽極腐蝕速率，在焊縫位置產生了溝槽腐蝕。

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

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

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作者：王濤 任永峰 何石磊 李遠征 施宜君 宋紅兵 單位：國家石油天然氣管材工程技術研究中心 寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院