近年來，隨著我國經濟不斷的發(fā)展，對能源的需求不斷增加，油氣管道運輸已成為我國能源運輸的主要方式。采用高強度的X80管線鋼[1]或更高強度級別的管線鋼，可以確保輸送管線建設的經濟性、安全性及可靠性，X80鋼在西氣東輸一線、二線、三線上被廣泛應用[2]，目前已成為我國油氣運輸管材的首選。焊接技術是完成管道連接的主要手段，長輸管道的腐蝕行為較復雜，特別是焊接接頭往往優(yōu)先發(fā)生腐蝕破壞[3]。X80鋼除了土壤環(huán)境，在近海港岸間的油氣傳輸也開始應用[4]，其焊接結構的安全性成為人們關注的重點，為此，開展X80鋼焊接結構海水腐蝕行為的研究是必要的。

由于焊接缺陷、焊接殘余應力、母材與焊縫成分不均勻等原因，在服役介質中，焊接接頭存在宏觀腐蝕電池與微觀腐蝕電池耦合的多相電化學反應，從而引起焊接接頭的局部腐蝕，包括應力腐蝕、點蝕、晶間腐蝕、電偶腐蝕、氫腐蝕、腐蝕疲勞等，導致焊接構件的失效[5,6,7,8]。在海水環(huán)境中電偶腐蝕是焊接接頭局部腐蝕行為中最常見的[9]。Shoushtari等[10]研究發(fā)現，17-4PH不銹鋼焊接接頭在海水中，較母材/焊縫與母材/HAZ相比，焊縫金屬/HAZ電偶電流密度更高。范舟等[11]研究X70管線鋼焊接接頭在3.5%NaC1溶液中的腐蝕行為時也發(fā)現，在熱影響區(qū)與母材和焊縫組成的偶對中熱影響區(qū)作為陽極而加速腐蝕。目前，國內外對X80焊接接頭在海洋中的腐蝕行為研究較少，對X80鋼在特定土壤環(huán)境中的腐蝕行為研究較多，如庫爾勒堿性土壤[12]、濱海灘涂土壤[13]等；在海水環(huán)境中，Zhao等[14,15]對X80鋼母材開展了腐蝕疲勞和腐蝕裂紋擴展及應力腐蝕開裂行為的研究；這些研究結果為X80鋼焊接接頭海水腐蝕行為研究提供了有力的參考。

焊接結構是影響結構完整性的一個重要的部位，溫度也是影響腐蝕行為的一個重要參數。為此，本研究在表征X80鋼焊接接頭組織及成分分布的基礎上，采用電化學法研究X80鋼焊接結構的不同部位在海水環(huán)境中的腐蝕行為及溫度變化對腐蝕行為的影響規(guī)律，為海洋原油輸儲的選材及防腐提供科學依據。

1 實驗方法

本實驗采用的X80鋼焊接結構試樣從西氣東輸二號線現場截取，其焊接材料與工藝見文獻[16]。將X80鋼焊接接頭制成金相試樣，采用4%硝酸酒精進行侵蝕，對焊接接頭進行宏觀腐蝕觀察，采用VEGA3型掃描電鏡 （SEM） 觀察焊接接頭的金相組織，采用Bruker能譜分析 （EDS） 對接頭的化學成分進行線掃描；采用化學法分析母材與焊縫的化學成分。

采用線切割將焊接結構中的母材、焊縫和熱影響區(qū)分別加工成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的電化學試樣，釬焊銅導線，環(huán)氧樹脂封樣，測試面采用耐磨水砂紙從60#依次打磨至1000#，然后用去離子水、無水乙醇清洗，吹干后放在干燥器中干燥備用。

采用CHI660E電化學工作站標準三電極體系，對X80鋼母材、焊縫和熱影響區(qū)分別在3.5% （質量分數）NaCl溶液中進行電化學測試，試樣為工作電極，石墨為輔助電極，飽和甘汞電極 （SCE） 作為參比電極。開路電位測試時間為400 s，待其穩(wěn)定后再進行阻抗譜和極化曲線的測試。阻抗測試頻率范圍為105~10-2 Hz，激勵幅值為10 mV；極化曲線的掃描電位范圍為-0.25~1.6 V，掃描速度為1 mV/s，采用ZSimpWin軟件對阻抗數據進行擬合。海水溫度控制為20~40 ℃。

2 結果與討論

2.1 X80鋼焊接接頭的成分分析

由于X80鋼強度高，所以焊縫與母材一般采用低強匹配而提高焊縫的韌性。采用化學分析法對X80鋼母材與焊縫的化學成分進行測試，結果如表1所示。由表1可知，X80鋼母材通過C、Mn和Si進行固溶強化，通過加入微合金元素Mo、Nb進行細晶強化；通過加入Ni、Cr和Cu提高合金的耐蝕性；而采用低碳的焊材進行填充后，焊縫的碳含量顯著降低，同時Ni、Cr、Al等耐蝕元素含量明顯增多，細晶強化的Nb和Mo含量減少。

表1   X80鋼母材與焊縫的化學成分

圖1為X80鋼焊接接頭從母材到焊縫C、Mn、Si和Al EDS線掃描圖。由圖可見：在焊縫與母材交界的位置，C、Mn含量下降，Si含量變化不明顯，Al含量增加，與化學分析結果基本一致。

圖1   焊接接頭各元素EDS線掃描結果

2.2 X80鋼焊接接頭的組織分析

采用金相顯微鏡對焊接結構從母材到焊縫處的組織進行觀察，組織照片如圖2所示。圖2a~f依次為X80鋼的母材-再結晶區(qū)-不完全淬火區(qū)-完全淬火區(qū) （細晶區(qū)和粗晶區(qū)）-焊縫。圖2a為X80鋼的母材，其組織由細小的多邊形鐵素體和貝氏體組成，還包含少量的M/A組元，組織呈帶狀分布；圖2b所示帶狀母材已經轉變?yōu)闊o畸變的再結晶區(qū)，再結晶區(qū)組織由細小的鐵素體和貝氏體組成；圖2c為熱影響區(qū)（HAZ） 的不完全淬火區(qū)，由部分粗大的白色鐵素體和細小鐵素體及貝氏體組成；圖2d為熱影響區(qū)的完全淬火區(qū)的細晶區(qū)，由細小的粒狀貝氏體和細晶鐵素體組成；圖2e為完全淬火區(qū)的細晶區(qū)向粗晶區(qū)過渡區(qū)域，貝氏體明顯長大；圖2f為焊縫區(qū)，其組織以粗大的針葉狀下貝氏體為主，在貝氏體針葉間分布少量顆粒狀和片狀碳化物?？梢?，X80鋼焊接結構從母材到焊縫其組織分布及晶粒大小是極不均勻的。

圖2   焊接接頭從母材到焊縫的組織照片

2.3 X80鋼焊接結構腐蝕行為研究

2.3.1 X80鋼焊接接頭宏觀腐蝕觀察

對整個焊接接頭試樣采用3.5%NaCl溶液進行浸泡，觀察宏觀腐蝕過程。觀察發(fā)現：經過2 h后焊接接頭不同部位發(fā)生腐蝕的程度并不相同，母材和熱影響區(qū)先于焊縫發(fā)生明顯腐蝕，表面失去金屬光澤而變暗，附著有黃褐色腐蝕產物，其中熱影響區(qū)銹層更深，輪廓更清晰，勾勒出復合坡口形式；焊縫處腐蝕較輕微，表面附著一薄層淡黃色腐蝕產物。

2.3.2 X80鋼焊接接頭的腐蝕電化學行為

圖3為X80鋼焊接接頭不同位置在3.5%NaCl溶液中的電化學動電位極化曲線，計算的電化學參數如表2所示。

圖3   X80鋼焊接接頭不同位置的極化曲線 （20 ℃）

表2   X80鋼焊接接頭不同位置的Icorr和Ecorr

由圖3和表2可知，X80鋼焊接接頭各位置在3.5%NaCl溶液中沒有出現鈍化現象，比較而言，20 ℃時焊縫的自腐蝕電位最正，焊接熱影響區(qū)的自腐蝕電位最負，即從腐蝕熱力學看，熱影響區(qū)的腐蝕傾向最大，而焊縫的腐蝕傾向較??；焊縫的自腐蝕電流密度較小，焊接熱影響區(qū)的自腐蝕電流密度較大，約是焊縫的3倍，即從腐蝕動力學來看，焊接熱影響區(qū)的腐蝕速度最大。

圖4為X80鋼焊接接頭不同位置在20 ℃、3.5%NaCl溶液中的電化學阻抗譜Nyquist圖，由圖可見，各位置試樣的阻抗譜線均為雙容抗弧，呈現出2個時間常數，即低頻區(qū)大容抗弧和高頻區(qū)小容抗弧，沒有出現Warburg阻抗。采用ZSimpWin軟件的Rs（QdlRt（QpRp）） 等效電路對阻抗譜測試數據進行數值擬合，其中Rs為溶液電阻，Rt為電荷轉移電阻，Qdl為雙電層電容，Rp、Qp為腐蝕產物膜電阻和電容，n為彌散指數，n值越接近1，電容越接近平板電容，擬合結果如表3所示。

圖4   X80鋼焊接接頭不同位置的電化學阻抗譜 （20 ℃）

表3   由圖5擬合得到的電化學參數

由圖4和表3可知：20 ℃時X80鋼焊接接頭3個不同位置中母材電荷轉移電阻Rt最小為1248 Ω·cm；焊縫Rt最大為2605 Ω·cm，因此在相同條件下發(fā)生腐蝕時，母材先于焊縫發(fā)生腐蝕，母材表面快速失去金屬光澤而變暗，該結果與焊接接頭宏觀浸泡現象相一致；對比形成的產物膜電阻，焊接熱影響區(qū)形成的腐蝕產物膜電阻Rp較小為5.875 Ω·cm，焊縫形成的腐蝕產物膜電阻較大為8.484 Ω·cm，母材的介于兩者之間，由此分析說明焊縫處腐蝕產物附著性與致密程度優(yōu)于母材和熱影響區(qū)，對腐蝕起到阻礙作用。

2.3.3 溫度對X80鋼焊接接頭腐蝕電化學的影響

圖5和6分別為40 ℃時焊接接頭不同位置的極化曲線和阻抗譜圖，擬合后的電化學參數如表4和5所示。對比圖3和圖5可見，溫度升高，焊接接頭各位置試樣的極化曲線均發(fā)生少量負移，溫度升高到40 ℃時，焊縫與母材腐蝕熱力學傾向相近，但母材的腐蝕速度較大，約是焊縫的2倍；熱影響區(qū)的腐蝕傾向和腐蝕速度依然最大。

圖5   焊接接頭不同位置的極化曲線 （40 ℃）

表4   X80鋼焊接接頭不同位置的Icorr和Ecorr （40 ℃）

圖6   焊接接頭不同位置的阻抗譜圖 （40 ℃）

對比阻抗譜的圖表可見，隨著實驗溫度升高，焊接接頭各位置試樣的電荷轉移電阻Rt均顯著降低，其中母材Rt最小，熱影響區(qū)Rt與母材相近，焊縫Rt最大；母材與熱影響區(qū)腐蝕產物膜電阻Rp降低，說明溫度升高后其一次腐蝕產物Fe2+在金屬表面脫附速度較快，腐蝕產物在基材的附著性變差，升高溫度增大了陽極去極化效果加速腐蝕過程。

表5   由圖6擬合得到的電化學參數

溫度升高時，焊縫的Rt降低而Rp由8.484 Ω·cm增大為9.656 Ω·cm，即溫度升高能促進焊縫的腐蝕，且腐蝕產物的附著性與致密程度優(yōu)于母材和熱影響區(qū)，對腐蝕起到阻礙作用。

2.4 討論

X80鋼焊接接頭各位置在模擬海水介質中的腐蝕行為存在較大差異，其中焊接熱影響區(qū)的腐蝕傾向最大，易于發(fā)生腐蝕；焊縫較母材具有更好的耐蝕性和低的腐蝕速率；溫度升高時，增大了金屬表面物質擴散及放電過程，腐蝕傾向和腐蝕速度均增大，但焊縫處因生成的腐蝕產物致密且附著性優(yōu)于母材與熱影響區(qū)，所以表現出更好的耐蝕性。

X80鋼焊縫在海水介質中具有較好的耐蝕行為與其組織結構密切相關。首先從化學成分來看，X80鋼母材通過C、Mn和Si固溶強化和Mo、Nb元素的細晶強化提高合金的強韌性，通過少量Ni、Cr和Cu較普通碳鋼提高了耐蝕性；而采用低碳焊材填充的焊縫，碳含量顯著降低，同時Ni、Cr和Al等耐蝕元素含量明顯增多，細晶強化的Nb和Mo含量減少。由化學成分的差異造成了X80鋼母材與焊縫組織及晶粒尺寸的顯著不同：X80鋼的母材由細小的多邊形鐵素體和貝氏體組成，還包含的少量的M/A組元；而焊縫組織因低C導致貝氏體中鐵素體特征明顯，碳化物含量明顯減少；減少Mo，Nb導致焊縫組織較母材粗大，晶界數量明顯減少，又因Ni、Cr、Al耐蝕元素的增多，因而表現出較好的耐蝕性。

X80鋼焊接結構中介于母材和焊縫間的熱影響區(qū)與熔合區(qū)，其區(qū)域狹小且組織分布極不均勻，特別是熱影響區(qū)的粗晶區(qū)和熔合區(qū)組織復雜、晶粒粗大、缺陷與雜質聚集，具有高的活化能，導致其具有較大的腐蝕傾向。

3 結論

（1） X80鋼焊接結構在海水介質中焊接熱影響區(qū)的腐蝕傾向最大，易于發(fā)生腐蝕；焊縫較母材具有更好的耐蝕性和低的腐蝕速率。

（2） 溫度升高加速物質擴散及放電過程，因陽極去極化而加速腐蝕，但焊縫處因生成的腐蝕產物致密且附著性優(yōu)于母材與熱影響區(qū)，表現出更好的耐蝕性。

（3） 焊縫因低C、Mo、Nb等元素導致組織較母材粗大，晶界數量明顯減少，又因Ni、Cr、Al耐蝕元素的增多，因而表現出較好的耐蝕性。

（4） 熱影響區(qū)的粗晶區(qū)和熔合區(qū)組織復雜、晶粒粗大、缺陷與雜質聚集，具有高的活化能，導致其具有較大的腐蝕傾向。