J55钢级电阻焊（ERW）套管的焊缝沟槽腐蚀行为

张志升，杜素珍，尹志福

（1.延长油田股份有限公司杏子川采油厂，延安717400；2.西安石油大学石油工程学院，西安710065；3.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，西安710075）

近年来国际上出现了以优质焊管替代高成本无缝钢管的趋势，这主要是由于焊管的生产技术不断取得突破。电阻焊（ERW）管是采用钢板或带钢经过卷曲成型后再经高频电阻焊接制成的钢管，已经广泛应用于石油天然气输送管道、油井套管和连续油管等领域［1-2］。目前，我国石油行业中ERW焊管主要用于输送管和套管。在西方工业比较发达的国家，已应用J55、N80及P110钢级的ERW套管，而目前我国的N80级套管正处于试制阶段，ERW套管仅限于J55钢级。

ERW过程是一个局部加热和冷却的过程，往往会造成母材的力学性能高于焊缝区域的。此外，由于母材和焊缝的成分和组织存在差异，导致冷却后在焊接区产生明显的残余应力。当ERW焊管在油气腐蚀性环境中服役时，ERW焊缝比母材金属对应力腐蚀开裂具有更高的敏感性［3-5］，同时焊缝区会出现选择性局部腐蚀即沟槽腐蚀，这使得焊管的应用受到限制。

陕北某油田受到了国际油价低位运行的影响，而开采成本居高不下，节约开发成本成为企业的工作重点之一，采用经济型低钢级的ERW套管就是一种应对之法。本工作主要采用恒电位阳极极化加速腐蚀试验，研究了J55钢级ERW套管焊接区的沟槽腐蚀敏感性，探讨了沟槽腐蚀的成因和机制，并进行经济性对比，以期为油田开发使用ERW套管提供依据。

1 试验

1.1 试样

试样取自国内某钢铁企业（A厂）生产的J55钢级ERW套管，将原材料加工成20 mm×15 mm×3 mm的试样，焊缝区域位于试片长度方向的中心位置。J55钢级ERW套管的化学成分见表1。金相检查结果表明：J55钢级ERW套管基体、热影响区和融合线区域的晶粒度分别为10级，级和级；J55钢级ERW套管内表面和其他区域的组织均为铁素体+珠光体（F+P）。

表1 J55钢级ERW套管的化学成分Tab.1 Chemical composition of J55 steel-grade ERW casing %

在试样工作面的背面焊接导线，然后用环氧树脂封装试样，封装时不影响材料的原始状态。试验前，用水砂纸（100号）打磨试样工作面后，采用丙酮脱脂，超声波清洗，无水乙醇脱水，冷风吹干后待用。

1.2 试验方法

采用恒电位阳极极化加速腐蚀的电化学试验方法进行测试。试验在美国EG＆G（普林斯顿）PAR273A电化学工作站上进行，采用三电极体系，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，辅助电极为碳棒，工作电极为试样，文中电位若无特指，均相对于SCE。试验溶液为3.5%（质量分数，下同）NaCl中性水溶液，阳极极化电位为-550 mV，试验周期为144 h，溶液温度为常温。试验结束后，用清洗液（由500 mL HCl、20 g六次甲基四胺和500 mL蒸馏水配置而成）除去试样表面腐蚀产物后，用水充分冲洗试样表面，再用无水乙醇脱水，冷风干燥。

采用共聚焦显微镜多次观察沟槽腐蚀最深坑的焊缝位置，测量母材的腐蚀深度d1和焊缝的腐蚀深度d2，见图1，根据式（1）计算焊缝沟槽腐蚀敏感系数α。

式中：d1和d2分别取三次测量平均值，且相同条件下进行三次平行试验。α数值愈大，沟槽腐蚀敏感性就愈高。目前普遍接受的评价标准是：当焊缝沟槽腐蚀敏感系数α≥1.3时，焊缝的沟槽腐蚀敏感性较大；当焊缝沟槽腐蚀敏感系数α＜1.3时，焊缝的沟槽腐蚀敏感性较小。

图1 焊缝沟槽腐蚀敏感系数的计算示意图Fig.1 Schematic diagram of calculation of corrosion sensitivity coefficient of weld groove

采用LSM 700型激光共聚焦显微镜观察试样腐蚀后的表面宏观形貌、三维轮廓特征，绘制相应的深度分布曲线。

图2 试样经过电化学试验后的宏观形貌，显微三维轮廓和腐蚀深度分布曲线Fig.2 Macro morphology（a），three-dimensional micro morphology（b）and corrosion depth distribution curve（c）of the sample after electrochemical test

2 结果与讨论

2.1 沟槽腐蚀形貌

由图2可见：经过电化学试验后，试样表面发生了明显的焊缝沟槽腐蚀，焊缝区域以外母材的宏观形貌较为均匀平整，焊缝区域最深腐蚀沟槽显微三维轮廓表现出明显的凹凸不平特征，焊缝局部存在点蚀坑，发生了选择性局部腐蚀；深度分布曲线反映了焊缝表面局部腐蚀特征。

2.2 沟槽腐蚀敏感系数

由表2可见：三个平行试样经过电化学试验后的沟槽腐蚀敏感系数α均小于1.3。API标准对焊缝沟槽腐蚀敏感系数无任何要求，但国内外研究表明，沟槽腐蚀敏感系数小于1.3时试样对沟槽腐蚀不敏感。因此，可判定A厂生产的J55钢级ERW套管对沟槽腐蚀不敏感。

表2 试样的焊缝沟槽腐蚀敏感系数Tab.2 Sensitivity coefficient of weld groove corrosion of samples

2.3 沟槽腐蚀影响因素

一般认为，碳钢发生沟槽腐蚀是由于焊缝区的组织结构、化学成分、残余应力等与母材存在明显差异，导致焊缝和母材形成腐蚀性电偶对而出现的沟槽型选择性局部腐蚀。

金属材料的化学成分是影响焊缝沟槽腐蚀的重要因素。有研究认为［3-4，6］，对于硫的质量分数大于0.01%的金属管材，发生焊缝沟槽腐蚀与夹杂物MnS有关，硫含量越高，沟槽腐蚀现象越明显。这是由于ERW套管在焊接过程中焊缝区夹杂物的MnS发生重熔并形成富硫区；对于低含硫金属管材，沟槽腐蚀与焊接合金的损失、残余应力和含碳量的增加等因素有关。本工作所用J55钢级套管材料的含硫量远低于0.01%（质量分数），据此可认为其发生焊缝沟槽腐蚀与夹杂物MnS的相关性较小。

也有研究认为［7］，由于焊接过程会发生脱碳现象，夹杂物MnS相对于管材基体充当阴极相，与周围铁基之间存在的缺陷和富硫区易引发局部点腐蚀，点蚀坑相连导致焊缝沟槽腐蚀的发生。另外，由于焊接区域部分微量元素发生贫化，引起焊缝的腐蚀电位发生变化，使焊缝与母材之间产生电位差，从而形成腐蚀原电池，导致焊缝两侧发生腐蚀。为了减缓沟槽腐蚀，可以采用高温调质处理，使得元素在不同区域均匀化。

残余应力也是影响金属管材发生沟槽腐蚀的重要因素之一。在ERW套管焊接过程中，熔化的焊缝在冷却过程中，焊缝两侧的母材金属会发生塑性变形，由于热应力和组织应力共同作用导致焊缝两侧形成了较高的残余应力［8］。金属管材焊接后若进行回火处理可使焊接区内应力消除或减弱，材料抗沟槽腐蚀性能有所改善；若进行调质处理，可使晶粒细化、组织均匀化，内应力消除，抗沟槽腐蚀性能会得到明显提高［9］。

本工作中，J55钢级ERW套管没有经过热处理，组织以铁素体+珠光体为主，母材组织与焊缝组织有明显差异。根据上文中焊缝沟槽腐蚀敏感系数计算结果，较接近参考值1.3，因此建议焊接态的钢管进行热处理以降低沟槽腐蚀的发生；同时考虑到该套管的服役环境，建议在制造中添加0.5%（质量分数）Cr，在使用过程中适当添加缓蚀剂以防止焊缝处的优先腐蚀。

2.4 市场应用可行性

按照目前市场J55套管价格，对比了无缝套管和ERW套管的费用，结果见表3。可以看出，使用J55钢级ERW表层套管代替目前使用的J55钢级无缝表层套管可节约成本5.0%；用J55钢级ERW套管代替目前使用的J55钢级无缝套管可节约成本8.8%，J55钢级ERW套管具有很高的经济性。

表3 J55钢级套管的成本对比Tab.3 Cost comparison of J55 steel grade casing

3 结论

（1）经过电化学试验，J55钢级ERW套管发生了选择性局部腐蚀，焊缝区域存在点蚀坑，其沟槽腐蚀敏感系数均小于1.3，对沟槽腐蚀不敏感。

（2）J55钢级ERW套管代替目前使用的J55钢级无缝套管可节约成本5.0%～8.0%，经济性较好。