碳钢焊接接头抗CO2腐蚀的研究

O 李维锋 舒欣欣 于延钊 任胜汉 孙紫麾 孙强

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津 300452 2.中国石油大学 北京 102249）

碳钢焊接接头抗CO2腐蚀的研究

O 李维锋1舒欣欣1于延钊2任胜汉1孙紫麾1孙强1

(1.海洋石油工程股份有限公司 天津 300452 2.中国石油大学 北京 102249）

本文通过ANSYS有限元模拟、微区电化学、高温高压反应腐蚀模拟试验，研究三种焊缝及母材的腐蚀倾向。研究结果表明：焊缝存在余高时，焊缝顶端受到的剪切力比母材大；随着焊缝余高的增大，焊缝根部熔合线位置受到的压力增大；焊缝与母材存在着电势差，可以发生电偶腐蚀；焊缝处的电化学阻抗比母材小。以上几个原因的共同作用下，使得焊缝处腐蚀加速，并且在焊缝根部熔合线位置发生局部腐蚀。

焊缝；焊缝余高；电化学阻抗；腐蚀产物膜

前言

目前，焊缝位置发生局部腐蚀是导致管道失效的重要因素。近年来，研究者们对焊缝位置的局部腐蚀也进行了大量的研究工作。X56管线钢在自然海洋水中时，焊缝热影响区处的点蚀坑深度的最大值大于附近母材的的点蚀坑深度最大值。焊接过程中温度梯度导致的相变是热影响区腐蚀敏感的重要因素。X70管线钢焊缝热影响区在中性溶液中有最大的阳极溶解电流。焊缝和母材之间成分和微观结构微小差异可以造成电化学电流效应，影响碳钢的腐蚀效应。不同的相和微观结构使得阳极反应和阴极反应位于不同的区域。除了材料本身特性可以造成焊缝腐蚀差异性，外界腐蚀环境例如：油水比例、温度、压力、pH值等和管内流体的流动状态也可以造成焊缝的优先腐蚀。本文针对常用三种焊接工艺：封底焊GTAW，填充盖面分别为SMAW/FCAW-G/GTAW（以下简称为S焊缝、F焊缝、G焊缝），在不同焊缝余高、不同温度、不同CO2分压下开展相关研究工作。

一、试验材料

试验材料母材选用ASTM 106B，其金相组织及三种焊缝的金相图见图1，其中母材为晶粒较大的珠光体和铁素体，F、S、G三种焊缝同样由珠光体和铁素体组成。三种焊缝的珠光体含量稍高于母材。

图1 母材及三种焊缝的100倍金相组织图：(a)母材；(b)F焊缝；(c) S焊缝；(d)G焊缝

二、试验结果

1.有限元计算结果

(1)管道内液体压力分布有限元计算结果

图3 管道内液体压力分布有限元计算结果图：(a)焊缝余高0mm；(b)焊缝余高1.5mm；(c)焊缝余高3mm；

有限元计算条件：管内液体流速为1m/s，流动方向由左向右，管内压力为0.1Mpa。分别对焊缝余高为3mm、1.5mm、0mm的管道内液体压力分布进行模拟计算，计算结果见图3。由计算结果可以看出，焊缝处存在余高的条件下，在焊缝迎流面根部熔合线位置受到的液体压力最大，焊缝与母材齐平时，焊缝和母材受到的液体压力是相等的。随着焊缝余高的增大，焊缝迎流面根部受到的液体压力升高。焊缝余高3mm迎流面根部位置受到的液体压力约为焊缝余高1.5mm的6.3倍。随着液体压力的增大，溶液中分子运动速度增大，加速基体表面腐蚀介质的交换，Fe2+不易在基体表面的聚集，不利于腐蚀产物膜的形成，从而焊缝根部的腐蚀。另外，有文献压力越大会导致局部腐蚀的发生。

(2)管道内壁剪切力计算结果

图4 管道内壁剪切力有限元计算结果图：(a)焊缝余高0mm；(b)焊缝余高1.5mm；(c)焊缝余高3mm；

焊缝与母材齐平时，管道内壁受到的剪切力是相同的。焊缝余高为1.5mm和3mm时，焊缝顶端受到的剪切力最大，不利于腐蚀产物膜在此处的附着作用，削弱了腐蚀产物膜对基体的保护作用，焊缝顶端位置腐蚀加速。

2.微区电化学实验结果

(1)扫描电势

采用Princeton Applied Research公司生产的PAR M370扫描电化学工作站对试样进行SKP测试，探针到试样表面距离为100±2μm，振动频率80Hz、振幅30μm，扫描模式为Step Scan面扫，扫描步长1000μm。

图5 焊接接头电位、电位分布扫描区域示意图

焊接接头的表面电位扫描区域包括了焊缝、热影响区、母材。X轴0μm的位置为焊缝位置，融合线位于5000μm～10000μm之间，X轴25000μm处为母材。Y轴0mm为距离管道内壁1mm处。

图6 焊接接头扫描电位图:(a)F焊缝；(b)G焊缝；(c)S焊缝；

扫描电势的结果表明F、S焊接工艺母材处的电势最高、而热影响区和焊缝处的电势较低，而G焊接工艺焊缝、热影响区、母材的表面电位变化差异性相对较小。扫描电势的差异性会导致焊接接头的电偶腐蚀，母材作为腐蚀反应的阴极，焊缝和热影响区作为阳极，从而形成了大阴极小阳极的腐蚀反应模型，加速焊缝和热影响区腐蚀反应。

(2)微区阻抗

微区阻抗分别选取了焊接接头的焊缝处、热影响区、母材三个区域内的500μm×500μm区域进行测试。

图7 焊接接头微区阻抗图:(a)F焊缝；(b)G焊缝；(c)S焊缝；

从微区阻抗结果中可以看出，三种焊接工艺焊接接头的母材处的阻抗值均大于焊缝和热影响区。碳钢的阻抗电路由溶液电阻、双电层电阻、电容、腐蚀产物膜电阻组成。三种焊接工艺的焊缝、热影响区、母材处的溶液均一致，因此溶液电阻是相同的。焊缝、热影响区、母材处的双电层电阻、电容是基本一致的。焊缝、热影响区、母材的阻抗差异性体现了三个位置的腐蚀产物膜电阻的不同，母材处的腐蚀产物膜电阻最大，腐蚀产物膜对基体起到了良好的保护作用，而母材的腐蚀产物膜对基体的保护作用优于焊缝和热影响区。

(3)高温高压模拟工况腐蚀试验

高温高压模拟工况腐蚀试验参数取自中海油LF13-2WHP井，温度为90℃，CO2压力为0.1MPa，流速为1m/s。模拟工况腐蚀试验对三种焊接工艺的焊缝高度分别为3mm、1.5mm、0mm的试样进行分析研究，试样试验面位于管道内壁。

图8 高温高压模拟工况腐蚀试验宏观照片:(a-3)F焊缝余高3mm;(a-1.5)F焊缝余高1.5mm;(a-0)F焊缝余高0mm;(b-3)S焊缝余高3mm;(b-1.5)S焊缝余高1.5mm;(b-0)S焊缝余高0mm; (c-3)G焊缝余高3mm;(c-1.5)G焊缝余高1.5mm;(c-0)G焊缝余高0mm

由图8可见，三种焊接工艺焊缝余高为3mm和1.5mm焊缝根部熔合线位置出现了局部腐蚀沟槽；焊缝余高为0mm的焊缝和母材有明显的腐蚀差异，焊缝处腐蚀更为严重。

随着焊缝余高的增大，焊缝顶端位置受到的剪切力以及焊缝根部熔合线位置受到的液体压力增大，均不利于腐蚀产物膜的形成，消弱了腐蚀产物膜对基体的保护作用，焊缝与母材处形成的腐蚀产物膜的差异性也可以导致焊缝与母材腐蚀的不同。焊缝与母材存在电势差，存在电偶腐蚀，也必然会加速焊缝处的腐蚀。

结论

1.焊缝顶端受到的剪切力比母材大，焊缝根部熔合线位置受到的液体压力也比母材大，二者共同作用，不利于腐蚀产物膜在焊缝处的附着，加速焊缝位置的腐蚀。

2.焊缝与母材存在电势差，形成电偶腐蚀，焊缝作为阳极，腐蚀加速。

3.焊缝处静态电化学阻抗比母材小，因此焊缝处比母材更易发生腐蚀。

Study of CO2 Corrosion Resistance on Carbon Steel Wilded Joint

Li Weifeng1, Shu Xinxin1, Yu Yanzhao2, Ren Shenghan1, Sun Zihui1, Sun Qiang1
(1. Offshore Petroleum Projects CO., LTD, Tianjin, 300452 2. China University of Petroleum, Beijing, 102249)

This paper research corrosion tendency of three weld and base metal through ANSYS finite element simulation,microelectrochemistry,high temperature and high pressure corrosion test.The results show that if the weld has reinforcement,shear stress on top site is bigge r than base metal;the bigger is weld reinforcement,the bigger is pressure of solution on root of weld;there is potential difference between the weld and base metal,galvanic corrosion may occure;electrochemical impence of the weld is smaller than base.Under combined action of above several reasons ,corrosion of weld accelerates,and local corrosion occurs at the root of the weld.

weld；weld reinforcement；electrochemical impence；corrosionproduct film

T 文献识别码：A

李维锋（1981～），男，海洋石油工程股份有限公司，研究方向：焊接。