《電焊機》好文推薦|Cu含量對油船貨油艙焊縫耐蝕性的影響


《電焊機》好文推薦|Cu含量對油船貨油艙焊縫耐蝕性的影響

2021-01-14 焊割在線

近年來,隨著工業的發展,我國原油的需求量不斷增大,原油的來源主要依賴進口,其中90%以上依靠海運,油船貨油艙(COT)的安全問題一直是原油運輸的關注焦點。油艙爲油船上承載原油的主要容器,內部腐蝕環境複雜苛刻,尤其是貨油艙的下底板長期處於高濃度Cl-強酸的環境中,極易發生局部腐蝕,因此研究油船貨油艙用鋼及其焊縫的耐蝕性具有重要的意義[1-4]。日本已研製出耐腐蝕性能良好的免塗裝新型船板,以降低貨油艙的建造、維護周期和成本,並大幅提高了貨油艙的使用安全性;國際海事組織也通過了耐蝕鋼強制性規範。目前我國油輪貨油艙一般採用AH32-EH36級鋼板製造,該鋼板主要應用在貨油艙的甲板、艙底和支撐架等部位[5-6]。油輪的結構基本上是由焊接完成,焊接接頭各部分在成分和組織上的不均勻性、殘餘應力以及應力集中等因素的影響使得接頭的耐蝕性低於母材,在整個焊接接頭中焊縫往往是耐腐蝕性最差的部位[7]。焊接接頭的腐蝕形式主要是不同程度的局部腐蝕,其危害性比全面腐蝕大得多,尤其是常在焊縫附近發生的溝槽狀腐蝕,會導致非常嚴重的後果[8-10]。因此對於油輪貨油艙而言,不僅要研究母材的耐蝕性,更要研究焊縫腐蝕行爲。目前,已有許多針對油艙鋼材耐蝕性的研究[11-12],但是對貨油艙焊縫耐蝕性的研究相對較少[13]。文中主要研究貨油艙配套CHE507RCW焊條熔敷金屬試樣在低pH、高Cl-濃度溶液中的腐蝕行爲,並對在焊條中加入合金元素Cu對其耐蝕性的影響進行了研究。

試板爲Q235B鋼板,尺寸300 mm×150 mm×20mm,採用3種不同Cu含量的CHE507RCW焊條,熔敷金屬化學成分如表1所示。採用焊條電弧焊進行多層多道焊,焊接電流160A,電壓25V,熱輸入14~18kJ/cm,焊接速度15 cm/min,對接坡口角度20°,底部間距20 mm。採用沿焊縫橫向切取的方式取樣,切取位置如圖1所示。金相樣品切取完成後,用金相砂紙由粗到細逐級打磨、拋光,採用3%硝酸酒精腐蝕液進行腐蝕,採用ZEISS Axio Vert.Al金相顯微鏡觀察分析熔敷金屬的顯微組織。

失重腐蝕實驗爲:將1~3號試樣各取兩個用砂紙磨至試樣表面光亮且無明顯劃痕,清洗吹乾後用遊標卡尺和電子天平分別測量試樣的高、直徑和質量。試樣放在NaCl濃度爲10%、pH越0.85的酸性溶液中(用HCl調節pH)中,用恆溫水浴鍋保持溫度(溫度30℃)進行2天的試驗,腐蝕液每24 h更換一次。除去試樣表面腐蝕產物後用電子天平稱重,記錄處理數據,取平均值計算失重腐蝕速率。

電化學實驗利用CHI660E型電化學工作站,在NaCl濃度10%、pH越0.85的酸性溶液中進行,恆溫水浴鍋將試驗溫度控制在30±1℃範圍內,採用三電極體系,熔敷金屬試樣作爲工作電極,飽和甘汞電極作爲參比電極,213型鉑電極爲輔助電極。開路電位採樣間隔時間爲0.5 s,測量時間爲400 s,極化範圍爲-250~+250 mV,掃描速度爲1 mV/s,交流阻抗(EIS)測量頻率範圍爲0.01~100 000 Hz,振幅5 mV。測試試樣分別在未浸泡、浸泡24 h和浸泡48 h三種條件下進行動電位Tafel極化曲線及交流阻抗測定。微區掃描採用VersaScan微區掃描電化學工作站,將試樣按要求打磨光亮後拋光,放入NaCl濃度爲10%、pH越0.85的腐蝕液中浸泡12 h和24 h。試樣浸泡前找到適合測量原點,如圖2所示。浸泡後進行掃描振動電極技術(SVET)測試,XY區域掃描,振幅30μm,掃描面積爲1 600μm×1 600μm,步長爲40μm。

2.1 顯微組織

三種不同Cu含量的焊縫金屬顯微組織如圖3所示,主要由鐵素體垣少量珠光體+少量第二相質點組成。可以看出,1號試樣[w(Cu)=0.15%]顯微組織的晶界析出相較多,3號試樣[w(Cu)=0.33%]的顯微組織主要是晶內析出物,晶界析出物可能會使試樣耐蝕性降低。隨著Cu含量的增加,熔敷金屬的顯微組織趨於均勻、細小,這是因爲多層焊的焊接方式使高溫下固溶的Cu析出著-Cu顆粒物,促進了針狀鐵素體的形成,起到了細化晶粒的作用[14]。

2.2 失重腐蝕實驗

2.2.1 失重腐蝕速率

浸泡時試樣表面開始出現氣泡,浸泡24 h後試樣表面出現大量氣泡,這是因爲在酸性介質中試樣表面發生了析氫腐蝕,在浸泡48 h後拿出,試樣表面黯淡無光,且有小孔分布在試樣周圍,試樣發生了點蝕現象。根據計算的失重腐蝕速率繪製出1、2、3號試樣經過48 h腐蝕後的平均失重腐蝕速率圖,如圖4所示。由圖可知,1、2、3號試樣腐蝕速率依次爲V1>V2>V3,試樣耐蝕性隨Cu元素含量的增加而增強。

2.2.2 腐蝕形貌及產物分析

1、2、3號試樣腐蝕48 h後的腐蝕形貌如圖5所示。

1號試樣腐蝕48 h後,表面出現肉眼可觀察到的大量黑色細小孔洞,在顯微鏡下可見大量尺寸不同、形狀各異、深淺不一的腐蝕坑,腐蝕產物呈片層狀;2號試樣腐蝕48 h後,表面出現黃色斑點,從腐蝕形貌圖看,試樣表面出現少許點蝕坑及尺寸較大的腐蝕斑;3號試樣腐蝕48 h後,表面變得暗淡無光,腐蝕產物分布更緻密,腐蝕更爲均勻。對比發現:隨著Cu含量的增加,腐蝕情況逐漸得到緩解,抵抗局部腐蝕能力增強。經能譜分析發現,腐蝕48 h後試樣表面腐蝕產物主要是Fe的氧化物。

2.3 電化學實驗

2.3.1 Tafel極化曲線測試結果

通過電化學試驗測得了3種不同腐蝕時間各試樣的線性極化曲線,Cu元素含量的變化對極化曲線產生了較爲明顯的影響,試樣的Tafel曲線及電化學參數分別如圖6和表2所示。

由圖6、表2可知,隨著浸泡時間的延長,試樣的自腐蝕電流逐漸增大,可能是隨著腐蝕的進行,試樣表面逐漸有腐蝕產物生成,腐蝕產物作爲陰極,基體材料作爲陽極,發生電化學腐蝕導致腐蝕加劇;隨著Cu含量的增大,試樣的自腐蝕電位逐漸正移,自腐蝕電流逐漸減小,陰極斜率βc變化不大,陽極斜率βa增大,腐蝕傾向減小,陽極反應離子向腐蝕液擴散阻力增大,試樣的腐蝕傾向逐漸減小,耐蝕性增強。

2.3.2 交流阻抗測試結果

3種不同腐蝕時間的試樣的交流阻抗譜如圖7所示,可用只含有一個時間電容元件的擬合電路來進行擬合,如圖8所示,用ZSimpWin軟體進行擬合分析可以得出電化學交流阻抗參數,如表3所示。

由圖7、表3可知,不同的浸泡時間,隨著Cu含量的增多,容抗弧半徑逐漸增大,說明隨著Cu元素含量的增多,試樣的耐蝕性逐漸增強,這與失重腐蝕實驗、極化曲線測試的結果一致。

2.4 掃描振動參比電極技術(SVET)分析

本次SVET實驗主要探索Cu元素含量的增多對試樣耐蝕性的影響,分別測試了腐蝕12 h和腐蝕24 h的試樣表面電位的變化,微電極的電壓與其位置相關,當微電極在不同位置振動時,即可記錄下電勢差△E。振動的波峯波谷之間的溶液阻抗R由公式R=d/k確定,其中d爲微電極的振幅,k爲溶液電導率。SVET電流值I可由公式I=△E/R確定[15],試樣浸泡12 h、24 h的SVET圖如圖9所示。

由圖9可知,隨著腐蝕時間的增加,試樣的腐蝕程度不斷加劇,尤其是1號試樣,電流密度從4 mA·cm2增大到48 mA·cm2,且浸泡時間相同時,1號試樣的腐蝕電流密度最大,耐蝕性最差。圖9a、9c、9e分別爲三種不同Cu含量試樣浸泡12 h測得的SVET圖像,可以看出試樣的表面活性有所增強,有活性點出現,且1號試樣產生的活性點處的腐蝕電流密度最大,爲4 mA·cm2。浸泡24 h後有點蝕發生(圖中腐蝕電流密度突然增大處)。2號試樣與3號試樣的腐蝕電流密度相差不大,但2號試樣的點蝕峯較3號多,說明3號試樣表面腐蝕情況比2號更均勻,抵抗點蝕能力更強。

(1)油船貨油艙用耐蝕鋼焊縫處在低pH、高Cl-濃度的腐蝕環境中主要發生的腐蝕行爲是:剛開始發生析氫腐蝕,隨著腐蝕時間的延長,發生點蝕。

(2)三種Cu含量的熔敷金屬的顯微組織均由鐵素體垣少量珠光體+少量第二相質點組成,隨著Cu含量的增加,熔敷金屬的顯微組織趨於均勻、細小,晶界析出物變少。

(3)在一定範圍內,隨著Cu元素含量的增加,焊縫金屬的自腐蝕電位逐漸正移,自腐蝕電流逐漸減小,腐蝕傾向減小,表面腐蝕產物更緻密,抵抗點蝕能力變強。

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