谢小辉,戴 婷,马 刚,顾艳红*,高 辉,焦向东
(1.北京石油化工学院,深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室,北京 102617;2.上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093)
海洋工程钢结构连接技术和安全保障是业界的研究热点之一[1-3]。而英国焊接研究所(TWI)发明的摩擦螺柱焊(FSW)技术由于不采用电弧加热,使得焊接接头受环境压力变化的影响较小,所以特别适合水下作业,从而在行业内得到快速发展[4-5]。随着摩擦螺柱焊技术的日渐成熟,欧美、巴西、日本等国针对FSW技术在水下的应用展开了一系列研究[6-7]。国内一些高校的科研人员也在摩擦螺柱焊领域进行了研究。南京理工大学的科研人员[8-10]对FSW的焊接工艺、接头组织、力学性能及装备进行了初步研究。天津大学的科研人员[11]采用2种海洋用钢DH36和X65在空气和水介质中分别制备了FSW接头,并对FSW接头的微观组织、力学性能及焊接参数对焊接质量的影响进行了初步探索。北京石油化工学院的马慧娟等[1,12]采用微区电化学系统对焊接接头进行微区SVET 和LEIS 实验,对FSW接头的金相显微组织结构和腐蚀机理进行了研究;徐亚国等[13-17]对FSW设备和工艺进行了大量研究,但对业界所关注的FSW接头在水下的耐蚀性的研究还很少。
因此笔者以X65钢为焊接基板,16Mn钢为螺柱,制备FSW接头,研究了在模拟海水环境下FSW接头的电化学腐蚀性能。利用光学显微镜观测FSW接头在模拟海水环境下腐蚀不同时间后的宏观和微观金相,分析FSW接头在模拟海水环境下的腐蚀情况,为企业对FSW在水下的应用提供参考。
以X65管线钢为基体,16Mn钢为塞棒,利用北京石油化工学院自主研发的摩擦螺柱焊接设备确定最佳焊接参数(旋转速度、进给速度和轴向压力),如表1所示。
表1 最佳焊接参数Table 1 Optimal welding parameters
配置3.5%(质量分数)的NaCl溶液来模拟海水环境。电化学实验(AMETEK, VersaSCAN, USA)采用三电极的电化学体系,参比电极(Re)为饱和甘汞(SCE),辅助电极(Ce)为铂片(尺寸为1 cm×1 cm)。实验温度为室温,在500 mLNaCl溶液中进行试验,测得其OCP、EIS和PDP。开路电位测量时间为30 min,交流阻抗的频率测试范围是10-2~105Hz,动电位极化曲线测试区间与开路电位相比在±0.5 V之间,扫描速率为0.25 mV·s,并选取前1 000个点数据进行分析。共测量4组数据,每组数据的采集间隔为2 h,每组的电化学实验数据测量后需要对每组试件的宏观和微观形貌进行金相观察。
利用金相显微镜(Nikon,ECLIPSE,MA200)对在不同条件下腐蚀的试件进行宏观金相实验和微观金相实验,先根据宏观金相简单地分析试件表面的直观腐蚀形貌,再通过分析试件微观金相便可得到试件的腐蚀规律。
FSW接头试件在模拟海水环境中腐蚀2、4、6、8 h的开路电位如图1所示。
由图1中可以看出,随着FSW接头在模拟海水溶液中腐蚀时间的增加,FSW接头试件在模拟海水溶液中的开路电压更正,说明随着腐蚀时间的增加,试件表面的腐蚀产物具有一定减缓试件腐蚀的作用。但FSW接头试件在模拟海水溶液中腐蚀8 h的开路电压明显比腐蚀6 h的更负,说明随着腐蚀时间的增加试件表面的腐蚀产物也开始被腐蚀。
FSW接头试件在模拟海水中腐蚀不同时间后的Nyquist图和Bode图如图2所示。
由图2(a)中可以看出,FSW接头在模拟海水中腐蚀所得的曲线半径随着腐蚀时间的增加而变小。同时根据图2(b)可知,FSW接头在模拟海水溶液中腐蚀所得的总阻抗值的变化与Nyquist图的数据变化规律一致。
FSW接头试件在模拟海水溶液中实验的Nyquist数据进行等效电路拟合,结果如图3所示,其中:Rs为溶液电阻;CPE为常相位角原件;Rct为电荷转移电阻。FSW接头在有无饱和CO2环境中腐蚀不同时间的等效电路拟合结果如表2所示。
表2 FSW接头在模拟海水中等效电路的拟合结果Table 2 Fitting results of equivalent circuit of FSW connector in simulated seawater
由表2可以看出,FSW接头在模拟海水中的极化阻抗先变小后增大,腐蚀2、4、6 h和8 h后,FSW接头的极化阻抗分别为1 947、1 095、987 Ω·cm2和1 027 Ω·cm2,说明腐蚀产物会减缓FSW接头的腐蚀。同时拟合得到的总阻抗值与Bode图中所反映的总阻抗值大致相等,说明等效电路拟合是合格的。
FSW接头试件在模拟海水中腐蚀不同时间的Tafel图如图4所示; FSW接头试件在模拟海水中腐蚀不同时间的Tafel拟合结果如表3所示。
表3 FSW接头在模拟海水中腐蚀不同时间后的Tafel拟合结果Table 3 Tafel fitting results of FSW joints corroded in simulated seawater for different time
由图4和表3中可以看出,FSW接头在模拟海水中腐蚀时间越久,FSW接头的腐蚀电流密度越大;腐蚀2 h时,FSW接头腐蚀电流密度为3.492 μA/cm2;腐蚀6 h时,FSW接头的腐蚀电流密度为3.869 μA/cm2。随着FSW接头在模拟海水中腐蚀时间的增加,FSW接头的腐蚀电位先变正再变负,说明腐蚀产物的产生会减缓FSW接头的腐蚀。
2.4.1 腐蚀宏观形貌
FSW接头在模拟海水溶液中腐蚀不同时间的的宏观形貌如图5所示。
由图5中可以看出,随着FSW接头在模拟海水溶液中腐蚀时间的增长,FSW接头的腐蚀情况越严重,但与腐蚀6 h的相比,腐蚀8 h的腐蚀情况较轻,这与腐蚀产物的产生有关,腐蚀产物减缓了FSW接头的腐蚀。
2.4.2 腐蚀微观形貌
FSW接头在模拟海水溶液中腐蚀8 h的塞棒区、上热影响区、焊缝区、下热影响区和母材区的微观形貌如图6所示。
由图6中可以看出,FSW接头在模拟海水溶液中腐蚀8 h后,FSW接头的塞棒区己经被腐蚀产物所覆盖,腐蚀十分严重,原始的组织相貌已无法分辨;而上热影响区、下热影响区和母材区的腐蚀情况则相对较轻,焊缝区耐腐蚀最好,微观金相图所体现的整体腐蚀情况和电化学的结论一致。
(1)在模拟海水溶液中腐蚀时间越久,FSW接头的腐蚀阻抗值变小,FSW接头的腐蚀电流密度越大。
(2)FSW接头在模拟海水中的极化阻抗值先变小后增大,FSW接头的腐蚀电位先变正再变负,说明腐蚀产物的产生会减缓FSW接头的腐蚀。
(3)从腐蚀形貌来看,宏观金相中,随着FSW接头在模拟海水溶液中腐蚀时间的增加,FSW接头腐蚀越严重,但是与腐蚀6 h相比,腐蚀8 h后的腐蚀程度较轻,说明腐蚀产物的出现减缓了试件的腐蚀速率;微观金相中FSW接头明显在塞棒区腐蚀更严重,焊缝区耐腐蚀最好,主要是因为在制备的过程中产生的高温改变了材料的性质,焊缝区组织比较致密平滑。