埋地高強管線鋼焊接接頭顯微組織的微區(qū)電化學研究

本文以西氣東輸為研究背景，主要研究了X80鋼及其焊接接頭模擬組織在鷹潭土壤和庫爾勒土壤模擬溶液中的宏觀和微觀電化學行為，通過分析焊接接頭顯微組織與宏觀腐蝕電化學行為、微區(qū)電化學行為之間的內(nèi)在聯(lián)系，研究了X80鋼焊接接頭不同組織的腐蝕電化學機理，取得了許多規(guī)律性和創(chuàng)新性成果，有助于對高強管線鋼腐蝕機理更深層次的理解，可為管線鋼材料的成分設計、組織優(yōu)化、制備加工、焊接工藝、壽命預測以及其它的實際應用奠定學科基礎(chǔ)。研究得到的主要結(jié)論有： （1）X80鋼熱軋、淬火、正火和退火組織在鷹潭酸性土壤模擬溶液中晶粒內(nèi)部作為陽極優(yōu)先發(fā)生腐蝕溶解，熱軋組織的鐵素體晶界和各種熱處理組織的原始奧氏體晶界以及第二相保留作為陰極，對晶粒內(nèi)部的陽極溶解有加速作用，其形態(tài)、分布和面積比均對X80鋼的相電化學腐蝕速率產(chǎn)生較大影響。 （2）X80鋼熱軋、淬火、正火和退火組織在不同Cl-濃度和不同pH值溶液中的陰、陽極反應機理相同，各種組織的宏觀極化曲線差別不大。Cl-作為陽極溶解反應的催化劑，對X80鋼及其各種熱處理組織的陽極溶解具有加速作用，正火組織對Cl-的吸附量大于其余組織。 （3）各種組織在鷹潭土壤模擬溶液中的SVET電流密度大小順序為：淬火組織>正火組織>熱軋組織，淬火組織>正火組織>退火組織。針狀鐵素體組織晶粒內(nèi)部的陽極溶解電流密度小于板條-粒狀貝氏體和多邊形-準多邊形鐵素體。 （4）X80鋼滲碳試樣最外側(cè)高碳區(qū)和過共析層在鷹潭土壤模擬溶液中不腐蝕；共析層退化珠光體組織的鐵素體基體發(fā)生腐蝕溶解，滲碳體保留；中心鐵素體區(qū)的鐵素體晶界和第二相保留，鐵素體晶粒內(nèi)部發(fā)生腐蝕溶解。Volta電位隨著C含量的減少而升高，鷹潭模擬溶液中的SVET電流密度隨著C含量的減少而降低。 （5）X80鋼焊接熱模擬組織由四個區(qū)域組成，從加熱中心開始分別為粗晶區(qū)、細晶區(qū)、過渡區(qū)和母材。在鷹潭土壤模擬溶液中浸泡時，各個區(qū)域均為晶粒內(nèi)部優(yōu)先發(fā)生腐蝕，原始奧氏體晶界、鐵素體晶界和第二相保留。加熱中心的Volta電位最低，隨著原始奧氏體晶粒尺寸的減小，Volta電位逐漸升高，在細晶區(qū)達到最高，到過渡區(qū)形成第二個Volta電位低谷，母材區(qū)重新升高。 2100433B

應用腐蝕宏觀電化學和微區(qū)電化學測試技術(shù)，如掃描振動電極技術(shù)（SVET）、局部電化學阻抗 (LEIS)、掃描電化學顯微鏡（SECM）等，對X80、X120高強管線鋼和X70高強管線鋼（用于比較實驗）的焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織，在鷹潭酸性及庫爾勒堿性鹽漬土壤模擬溶液中的宏觀電化學行為和微區(qū)電化學行為進行系統(tǒng)測試與研究，并結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）、X-射線衍射（XRD）、拉曼光譜等材料微觀組織結(jié)構(gòu)和成分分析技術(shù)，研究以上焊接接頭不同區(qū)域顯微組織在土壤模擬溶液中腐蝕起始和發(fā)展過程中的微區(qū)電化學行為，即微區(qū)電位與局部交流阻抗變化與顯微組織之間的關(guān)系，在分析焊接接頭顯微組織、腐蝕宏觀電化學行為、微區(qū)電化學行為三者之間的內(nèi)在關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究X80和X120焊接接頭不同組織的腐蝕電化學的規(guī)律和機理，為長壽命、大口徑高強管線鋼的制備及焊接乃至實際應用奠定學科基礎(chǔ)。

管線鋼的組織結(jié)構(gòu)是決定其使用性能和安全服役的根據(jù)，目前，根據(jù)顯微組織可將管線鋼分為以下4類：

1、鐵索體-珠光體管線鋼

鐵素體一珠光體管線鋼是20世紀60年代以前開發(fā)的管線鋼所具有的基本組織形態(tài)，X52以及低于這種強度級別的管線鋼均屬于鐵素體一珠光體，其基本成分是碳和錳，通常碳含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）為0.10%一0.20%，錳含量為1.30%～1.70%，一般采用熱軋或正火熱處理工藝生產(chǎn)。當要求較高強度時，可取碳含量上限，或在錳系的基礎(chǔ)上添加微量鈮和釩。通常認為，鐵素體一珠光體管線鋼具有晶粒尺寸約為7μm的多邊形鐵素體和體積分數(shù)約30%的珠光體。常見的鐵素體一珠光體管線鋼有5LB、X42、X52、X60、X60和X70。

2、針狀鐵素體管線鋼

針狀鐵素體管線鋼的研究始于20世紀60年代末，并于70年代初投入工業(yè)生產(chǎn)。當時，在錳一鈮系基礎(chǔ)E發(fā)展起來的低碳．錳一鉬一鈮系微合金管線鋼，通過鉬的加入，降低相變溫度以抑制多邊形鐵素體的形成，促進針狀鐵素體轉(zhuǎn)變，并提高碳、氮化鈮的沉淀強化效果，因而在提高鋼強度的同時，降低了韌脆轉(zhuǎn)變溫度。這種鉬合金化技術(shù)已有近40年的生產(chǎn)實踐。近年來，另一種獲取針狀鐵素體的高溫工藝技術(shù)正在興起，它通過應用高鈮合金化技術(shù)，可在較高的軋制溫度條件下獲取針狀鐵素體。常見的針狀鐵素體管線鋼有X70、X80。

3、貝氏體一馬氏體管線鋼

隨著高壓、大流量天然氣管線鋼的發(fā)展和對降低管線建沒成本的追求，針狀鐵素體組織已不能滿足要求。20世紀后期，一種超高強度管線鋼應運而生。其典型鋼種為X100和X120。1988年日本SMI公司首先報道了，X100的研究成果。經(jīng)歷了，多年的研究和開發(fā)，X100鋼管于2002年首次投入工程試驗段的敷設。美國ExxonMobil公司于1993年著手X120管線鋼的研究，并于1996年與日本SMI公司和NSC公司合作，共同推進X120的研究進程，2004年X120鋼首次投人丁程試驗段的敷設。

貝氏體一馬氏體管線鋼在成分設計上，選擇了碳一錳—銅—鎳—鉬—鈮—釩—鈦—硼的最佳配合。這種合金設計思想充分利用了硼在相變動力學上的重要特征。加入微量的硼(ω_B=0.0005%～0.003%)，可明顯抑制鐵素體在奧氏體晶界上形核，使鐵素體曲線明顯右移。同時使貝氏體轉(zhuǎn)變曲線變得扁平，即使在超低碳(ω_C=0.003%)情況下，通過在TMCP中降低終冷溫度(<300℃)和提高冷卻速度(>20℃/s)，也能獲得下貝氏體一板條馬氏體組織。常見的貝氏體—馬氏體(B—M)管線鋼有X100、X120。

4、回火索氏體管線鋼

隨著社會的發(fā)展，需要管線鋼具有更高的強韌性，如果控軋控冷技術(shù)滿足不了這種要求，可以采剛淬火 回火的熱處理工藝，通過形成回火索氏體組織來滿足厚壁、高強度、足夠韌性的綜合要求。在管線鋼中，這種同火索氏體也稱為同火馬氏體，是超高強度管線鋼X120的一種組織形態(tài)。

本課題將在實土埋樣和模擬溶液腐蝕研究的基礎(chǔ)上，對高強管線鋼在土壤薄液膜下的腐蝕電化學機理開展系統(tǒng)研究，通過對比實土埋樣、模擬溶液和土壤薄液膜下的腐蝕行為與機理，進一步加深對土壤腐蝕主要影響因素的認識；系統(tǒng)開展土壤薄液膜下高強管線鋼腐蝕的相電化學機制以及應力腐蝕裂紋萌生和擴展不同演化階段及其關(guān)鍵影響因素研究，進一步揭示高強管線鋼在我國土壤環(huán)境中腐蝕和應力腐蝕的關(guān)鍵影響因素；確定涂層下閉塞薄液環(huán)境對局部腐蝕的促進作用及其電化學機理，確定顯微組織所對應的微電極過程動力學過程對局部腐蝕萌生與擴展的影響機制，結(jié)合非穩(wěn)態(tài)電化學理論建立并進一步發(fā)展高強鋼應力腐蝕裂紋擴展安全評價理論與測試方法。該課題不僅能為我國高強管線鋼的性能優(yōu)化、管線防護及安全評價提供更完善的理論依據(jù)，而且能提升土壤環(huán)境腐蝕的研究水平，具有重要的實際工程價值和理論意義。

當一側(cè)覆蓋有金屬和修飾物的微懸臂梁（以下簡稱微梁）與被測物特異性作用時，由于兩側(cè)的應力不同，微梁產(chǎn)生變形，通過測量變形的程度可識別或定量測定被測物質(zhì)。本申請將電分析化學的方法和技術(shù)與微懸臂梁傳感器技術(shù)相結(jié)合，研究微梁電極上施加不同電信號的分析方法；在微梁電極上實現(xiàn)微梁變形信號與電化學反應信號同步獲取以研究電化學反應機理；研究外部交流信號激發(fā)微梁共振的分析方法；研究當電極與微梁近距離靠近時，電極反應對微梁測定的控制與影響以及用微梁表征電極表面的電化學反應。目的是研究出高靈敏度、高選擇性的無標記免疫分析、酶催化反應以及其它類型的新型電化學微梁傳感器。 2100433B