R-31焊缝组织转变与CO2腐蚀

武 斌，王 斌，赵远山，蒲 灵，胡宇汐，郑 宇

（西南石油大学材料科学与工程学院，四川成都610500）

R-31焊缝组织转变与CO2腐蚀

武 斌，王 斌，赵远山，蒲 灵，胡宇汐，郑 宇

（西南石油大学材料科学与工程学院，四川成都610500）

通过热处理工艺均化并改善R-31耐热接头组织。采用金相显微镜、显微硬度计、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）、电化学综合测试系统结合腐蚀实验分析焊接接头组织、力学性能以及组织转变对CO2腐蚀发生规律的影响。结果显示：未经热处理的焊缝熔合区组织为细小的粒状珠光体，中间有少量的先共析铁素体呈岛状分布。热处理后，接头热影响区的组织长大，且熔合区有少许的弥散碳化物析出，硬度增加。热处理使接头腐蚀电位增大，抵御腐蚀的能力增强。分析腐蚀形貌发现热影响区、粗晶区以及由铁素体和渗碳体共析而成的珠光体区最易发生CO2局部腐蚀，其中热影响区腐蚀速率较大，EDS能谱分析显示蚀坑中具有很高的碳含量。

焊接接头；CO2腐蚀；微观组织；点蚀

0 前言

近年来，随着石油需求的不断增加，高含硫或含二氧化碳油气田也被大量开采利用。在石油开采中，钻柱动力传输用的冲头、钻杆接头以及石油裂解装置中的急冷器都是石油化工领域中的重要部件，这些焊接件虽然具有良好的耐磨性和冲击韧性，但在富含二氧化碳，高热、高湿的地层，碳化物（如CH4，CO，CO2）和水形成酸性腐蚀介质，加之在多级采油或采气时注入的CO2驱替气体，金属材料极易腐蚀生成碳酸铁并产生氢气，腐蚀采油设备和油气管线，严重影响钻井机械和输油管道的使用安全[1-2]。针对压力管道用钢的腐蚀，国内外研究者对腐蚀因素、腐蚀模型、腐蚀失效以及缓蚀剂等都做了相应的研究[3-4]。焊接接头热影响区组织并不稳定，在超深地层和石油裂解过程中发生组织孕育转变，这种变化改变了原有的腐蚀电位，形成更加激烈的电偶腐蚀[5-7]。因此，测定焊接结构中不同组织对应的腐蚀电位，对掌握材料因组织变化引起的腐蚀现象有十分重要的意义。实验用R-31耐热焊丝制备对接接头，热处理后分别腐蚀接头，再利用电化学综合测试系统测定不同组织的腐蚀电位，并进行腐蚀形貌分析。

1 实验内容

1.1 接头制备

实验材料为Q235钢和R-31耐热焊丝，具体化学成分见表1，Q235钢尺寸280 mm×130 mm×6 mm，单边V型坡口，坡口角度30°；R-31耐热焊丝尺寸φ2.0 mm×1 000 mm，坡口角度和焊层分布见图1。焊接对接接头采用正接法TIG焊，三层四道成形，层间温度50℃，焊接过程均采用氩气保护，焊接参数由Manual-HKS焊接扫描仪测得，相关参数见表2。

表1 实验材料化学成分Tab.1 Chemical composition of welding metals %

表2 焊接工艺参数Tab.2 Welding parameters

图1 坡口尺寸及焊层分布Fig.1 Size of V notch and distribution of welding layers

1.2 焊层硬度

焊接接头上显微硬度测试点的分布如图2所示，测试点以焊缝为中心两端对称分布。测试前先将焊缝切割成120 mm×6 mm×4 mm的几何形状，机械打磨抛光后使测试面光滑、平整。其中硬度计型号HSV1000，加载载荷300 g，保压时间10 s。

图2 接头显微硬度测试Fig.2 Testing of micro-hardness on the welding joint

1.3 腐蚀

腐蚀实验在室温密闭容器中进行，为保持溶液中CO2的浓度，腐蚀过程中用导管循环通入CO2气体，流量1 ml/min。48 h后取出试样，干燥并密封保存。电化学测试前连接一对金属电极，其他位置用石蜡密封。腐蚀电位测定采用甘汞电极参比，导电介质NaCl溶液的质量浓度为3.5%。

2 分析和讨论

2.1 焊接工艺对接头组织及性能的影响

Manual-HKS焊接扫描仪测得焊接过程电流变化如图3所示，打底焊的平均电流为78 A，电弧电压24 V；填充层焊接电流97 A，电弧电压24 V；盖面层焊接电流106 A，电弧电压25 V，焊后焊缝成形良好，形貌如图4所示。

图3 焊接电流Fig.3 Welding current

焊接接头硬度分布如图5所示，可以看出硬度值从母材到焊缝中心逐渐升高。对于未经热处理的焊接接头，母材和热影响区的硬度相近，平均硬度约128 HV；但在熔合区，R-31耐热焊丝中Mn、Si等奥氏体形成元素在焊接时对焊缝金属产生稀释作用，合金元素在熔池凝固结晶过程中有充足的时间进行扩散，最后在熔合区形成了大量细小的珠光体组织，这使焊缝熔合区具有很高的硬度[8]，最大硬度值可达280 HV以上。对焊接接头而言，为了消除焊后残余应力对焊接构件尺寸的影响，均化组织并稳定化学成分，焊接结构使用前一般都要经过不同温度的焊后热处理（PWHT）。

图4 焊缝形貌Fig.4 Morphology of welding seam

图5 焊接接头的显微硬度Fig.5 Micro-hardness of welding joint

R-31耐热接头经低温热处理后，整个接头的显微硬度都有所增加，其中母材和热影响区的显微硬度增量较大，约30 HV；而熔合区的增量较小，在5～10 HV之间。通过焊后热处理，接头熔合区的最大显微硬度值可达300 HV以上。这是由于内部应力消除后，少量的残余奥氏体产生了二次分解，形成絮状的渗碳体。另外由于焊接时热输入的增大使热影响区（HAZ）的晶粒粗化，部分晶粒挤压变形，晶界偏析出现高硬度的沉淀碳化物，这些都使得接头的硬度发生改变[9-10]。

2.2 组织变化对腐蚀电位的影响

焊后接头各个区域的金相组织如图6所示，其中母材区为块状的铁素体组织，小块的铁素体之间有少量片层状和带状的珠光体；热影响区由于受焊接热输入的影响，铁素体组织变得粗大，其周围有小的变形晶粒并伴随有碳化物晶间析出；熔合线附近组织如图6c所示，热影响区一侧为粗大的片状铁素体和少量贝氏体；焊缝熔合区组织则为细小珠光体，中间包含岛状的铁素体[11]。虽然析出碳化物和针状铁素体形成的珠光体组织可以提高焊层的硬度和耐磨性，但在由铁素体和渗碳体形成的共析珠光体内存在严重的电偶腐蚀，后期形成额外的腐蚀电流加速材料的腐蚀[12-14]。

由图7a中的极化曲线可知，未经热处理的耐热接头中热影响区的自腐蚀电位最高为-0.752 V，母材和熔合区的自腐蚀电位则分别为-0.768 3 V和-0.8118V。自腐蚀电位可表示材料在特定环境中的腐蚀倾向，对因CO2产生的气蚀和由局部电位差引起的电偶腐蚀，熔合区的自腐蚀电位相对较低，在酸性腐蚀介质中最容易首先产生腐蚀[15]。熔合区填充R-31耐热焊丝后，增加了其腐蚀敏感性。但由图7b可知，接头经热处理工艺后，母材、热影响区和熔合区的自腐蚀电位都有所增加，母材区最大的腐蚀电位为-0.335 7 V，热影响区和熔合区的腐蚀电位分别为-0.356 V和-0.431 2 V。可见其发生腐蚀的趋向减小，进一步验证了焊后热处理工艺可优化或改善接头的耐蚀性能。由极化曲线反推分析电位较负的阳极区可以看出，母材（BW）、热影响区（HAZ）以及熔合区（WW）的阳极极化并不明显，三个区的极化速率非常接近。但在电位变化较大的阴极区，阴极极化速率由大到小依次为HAZ＞WW＞BW。由此可知，当回路形成并产生腐蚀电流后，热影响区的腐蚀最为显著，这种现象与多层多道焊时循环热输入所产生的粗大晶粒有关。另外受R-31填充焊丝中Mn、Si等合金元素的影响，焊缝熔合区的阳极极化电流和阴极极化电流比母材大，这是因为虽然Mn的加入提高了珠光体组织的强度，但也使大量晶粒长大并产生粗晶组织，增加了材料的过热敏感性[16-17]。

图8a为腐蚀速率最大的热影响区的腐蚀微观形貌，未经热处理。可以看出，相同腐蚀条件下，未经热处理的接头热影响区局部腐蚀严重，扫描电镜下可发现清晰的蚀孔。经热处理后的焊接热影响区除了发现微量的Mn元素外，由于热处理使热影响区的腐蚀电位增加，其表面耐蚀性也得到提高，如图8b所示。

图6 焊缝接头组织Fig.6 The micro-structure of welding joint

图7 R-31耐热接头的极化曲线Fig.7 Polarization curves of welding joint

3 结论

（1）R-31耐热接头经过焊后热处理后，接头硬度整体增加，其中母材和热影响区的硬度增量较大，约30 HV；熔合区的最大硬度可达300 HV。

（2）焊后接头熔合区为细小的珠光体组织，中间含岛状铁素体。熔合线热影响区一侧为粗大的片状铁素体和少量贝氏体组织；经过焊后热处理，区域有少量碳化物析出，和针状铁素体形成会影响力学性能和腐蚀性能的珠光体组织。

（3）在含CO2的酸性介质中，R-31耐热接头基体的腐蚀趋向最大，但接头形成腐蚀电池后，热影响区的腐蚀电流最大，局部腐蚀后形成富含碳化物的蚀孔。合适的焊后热处理工艺可以改善接头组织，通过提高腐蚀电位减缓腐蚀的发生。

图8 热影响区的腐蚀形貌分析Fig.8 Analysis of corrosion morphology in HAZ

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Study on structure transformation and CO2corrosion of R-31 welded joints

WU Bin，WANG Bin，ZHAO Yuanshan，PU Lin，HU Yuxi，ZHENG Yu
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

The structure of R-31 welded joints are homogenized and improved by post-weld heat treatmen（tPWHT）.Some researches like microstructure of the welded joints,mechanical properties and effect on CO2corrosion by those changes are investigated by metallurgical microscope,micro-hardness tester,SEM and EDS，electrochemical test system in corrosion experiment.Results show that organization of weld fusion zone without heat treatment is the fine granular pearlite and dotted with a few island ferrite.After heat treatment，the structure in heat-affected zone（HAZ）occur grain coarsening and precipitate a little dispersed carbide，this leads hardness to increase.In addition，the higher corrosion potential obtained from PWHT makes it has a better performance on CO2corrosion resistance.Corrosion morphology analysis shows that HAZ，coarsen zone and eutectoid pearlite combined by ferrite and cementite are mo st prone to corrosion，HAZ has the maximum corrosion rate，there are high carbon content in the corrosion pits though EDS analysis.

welded joint；CO2corrosion；microstructure；pitting

TG401

：A

：1001-2303（2015）10-0140-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.32

2014-10-23

武 斌（1985—），男，云南曲靖人，国际焊接技师，在读硕士，主要从事A-TIG焊等现代焊接技术与焊缝无损检测、腐蚀及防护方面的研究工作。