825襯里雙金屬復合管層間與焊縫的電化學腐蝕行為

任艷輝,汪 洋,林建偉,楊 建,高 玥

(1.中石油西南油氣田川東北氣礦,達州 635000;2中石油西南油氣田達州應急搶險維修中心,達州 635000)

隨著管道技術的發展,雙金屬復合管在輸氣管道上的應用逐漸增多[1-3]。而目前,針對雙金屬復合管的腐蝕研究主要集中于內襯及焊縫的穿透腐蝕[4]。

現階段投入使用的雙金屬復合管襯里通常為316L不銹鋼管[5-7],雖具有一定的耐蝕性,但與鎳基合金相比,仍存在較大差距。西南某油田使用以825鎳基合金為襯里、X65碳鋼為外層,采用機械結合方式制成的雙金屬復合管,采取對焊的方式將復合管連接,焊材為625鎳基合金[8-9]。該復合管用于埋地深1 m處,輸送干氣,現有相關文獻證明,825鎳基合金具有良好的耐蝕能,而干氣條件下的H2S與CO2幾乎不會產生腐蝕,所以其服役環境幾乎不會對825鎳基合金襯里產生腐蝕。然而,關于825鎳基合金與X65碳鋼焊接區域的電化學腐蝕行為研究較少,基于此,筆者對其進行研究,以期為825襯里雙金屬復合管的實際應用提供指導。

1 試 驗

1.1 試樣及溶液

試驗材料是用于西南某油氣田生產的以825鎳基合金(簡稱825)為襯里、X65碳鋼為外層的雙金屬復合管,其化學成分如表1所示。

表1 825合金及X65碳鋼的化學成分(質量分數)

由于雙金屬復合管服役于純干氣運送環境,不存在液體腐蝕,僅需考慮材料本身的電化學腐蝕性能,因此選擇3.5%(質量分數,下同)NaCl溶液作為電化學試驗溶液[10]。

1.2 試驗方法

電化學試驗采用三電極體系[11],鉑片電極為輔助電極(CE),飽和甘汞電極(SCE)為參比電極(RE),層間及焊縫的電化學試樣為工作電極(WE)。電化學阻抗測試前,對層間及焊縫試樣進行開路電位測試,待開路電位穩定后,再進行阻抗測試。阻抗測試在自腐蝕電位下進行,頻率為0.1 Hz～10 kHz,交流激勵信號是幅值為10 mV的正弦波。

在層間與焊縫中取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣進行電化學試驗,具體取樣位置見表2。用Cu導線焊接試樣背面,用環氧樹脂將非工作面封裝[12],并SiC砂紙(200800號)逐級打磨試樣工作面,使用去離子水和無水乙醇清洗工作面,吹干待用。采用動電位掃描方法對試樣進行極化曲線測試,掃描速率為 0.5 mV/s,掃描范圍相對于開路電位-300300 mV,采用 CS350H電化學工作站自帶的CS Studio5+軟件進行數據擬合分析。

表2 取樣位置及編號

2 結果與討論

2.1 極化曲線

圖1為幾種試樣的極化曲線, 根據電極動力學方程,見式(1),利用Levenberg-Marquardt迭代方法編制的計算機解析程序,擬合得到腐蝕電流(I)、自腐蝕電位(Ecorr)、陰極塔菲爾斜率(βc)、陽極塔菲爾斜率(βa)、腐蝕速率(Vc)等電化學參數,見表3。

圖1 幾種試樣的極化曲線Fig.1 Polarization curves of several samples

表3 幾種試樣的極化曲線擬合結果

(1)

式中:J為電極極化時金屬電極的凈電流密度;E為對應的極化電位;Jcorr為自腐蝕電流密度;Ecorr為自腐蝕電位;βa和βc分別為陽極Tafel斜率和陰極Tafel斜率。

由表3可見:1～3號試樣的陰極斜率βc遠大于陽極斜率βa,說明試樣腐蝕反應受陰極反應控制;1～3號試樣中,試樣3的腐蝕速率最低,自腐蝕電位最大,腐蝕電流密度最低,即其耐蝕性最好。

由表3還可見:4～7號試樣中,試樣4及試樣7的βa明顯小于βc,說明陰極反應對試樣腐蝕的影響更大。而試樣5及試樣6的βa明顯大于βc,這是由于這兩種試樣在陽極處發生鈍化,使得陽極斜率遠大于陰極斜率。試樣7的腐蝕速率最快,這是由于三種材料結合形成的界面較為復雜,相較于單一成分的界面更容易發生電化學腐蝕,因此試樣7的腐蝕速率最大。試樣4的腐蝕速率次之,這是由于碳鋼的耐蝕性較差,整個界面耐電化學腐蝕性能較差;625(鎳基合金)具有良好的耐蝕性,所以試樣5的腐蝕速率相較于試樣4和試樣7,出現明顯的下降趨勢。825與625合金皆為鎳基合金,都具有非常優異的耐蝕性,且相較于625,825的性能更為優異,因此由這兩種鎳基合金組成的試樣6相較于試樣5更加耐蝕,腐蝕速率進一步明顯降低。

2.2 電化學阻抗譜

極化曲線在測試時相對較為敏感,將極化曲線分析與電化學阻抗分析相結合,更具有說服力。

由于試樣3的耐蝕性極佳,其阻抗譜與層間及碳鋼相比更加優異,因此僅比較試樣1和2的電化學阻抗譜,如圖2所示。

利用Zsimdemo軟件按圖3所示等效電路模型對其電化學阻抗譜進行等效擬合[13],結果見表4。

圖3 等效模擬電路圖Fig.3 Equivalent analog circuit diagram

表4 試樣1和2的電化學阻抗擬合結果

由圖3和表4可見:試樣1和2的阻抗譜均呈現出單一變形的容抗弧特性,結合擬合數據可以發現,試樣2的阻抗半徑比試樣1大,即試樣2的耐蝕性比試樣1好,這與極化電阻結果呈相同的規律。

由圖4可見:由于4～7號試樣中,試樣6的耐蝕性格外優異,且其阻抗譜遠高于另外三種試樣,故只對試樣4、5、7進行阻抗譜分析。

圖4 4～7號試樣的電化學阻抗譜Fig.4 Electrochemical impedance spectra of samples No.4-7

由圖4和表5可見:焊縫處試樣7和試樣4的阻抗譜均勻呈現出單一變形的容抗弧特性,且試樣7的阻抗半徑比試樣4大,即試樣7的耐蝕性更好。這主要是由于625合金的耐蝕性優于X65鋼。而試樣5的阻抗譜主要由高頻段容抗弧和低頻段收縮的感抗弧構成,結合極化曲線分析可知,試樣5在陽極極化曲線上發生了一定的鈍化,推測該感抗弧存在的原因主要是試樣表面腐蝕產物的吸附對基體產生保護作用。由表5還可見,試樣5的擬合阻抗譜半徑最大,其耐蝕性最好,這與極化曲線結果吻合。

表5 4～7號試樣的電化學阻抗擬合結果

3 結 論

825襯里雙金屬復合管層間與焊縫存在7個不同界面,研究每個界面的電化學性能對管道的實際生產使用具有指導意義。電化學結果表明:層間區域試樣的腐傾向由大到小是試樣1>試樣2>試樣3,焊縫區域試樣的耐蝕性由強到若依次為試樣7>試樣4>試樣5>試樣6。