N08825镍铁基合金焊接接头服役寿命影响因素

胡 伟，王荣青，王利民，刘永鹏，王 振

中国石油天然气第七建设公司，山东青岛 266300

N08825镍铁基合金焊接接头服役寿命影响因素

胡 伟，王荣青，王利民，刘永鹏，王 振

中国石油天然气第七建设公司，山东青岛 266300

某高温、高压、高含硫酸性油气田的采输管道拟应用L360QS+N08825复合管道，按照ASTM G48和ASTM G28标准的方法对复合管道内覆层焊接接头进行点腐蚀和晶间腐蚀敏感性测试，采用SEM、EDS、SKPFM和金相分析等手段，研究内覆层焊接接头点蚀和晶间腐蚀的形成机理及预防措施。并结合镍铁基合金材料焊接接头易氧化的操作问题和材料局部腐蚀的环境因素，探讨镍铁基合金焊接接头服役寿命的影响因素，对镍铁耐蚀合金管焊接工艺的改进和焊接接头服役寿命提高具有积极意义。。

镍铁合金；点蚀；晶间腐蚀；焊接接头

近年来，随着高H2S、高CO2分压、高Cl-、高有机硫等复杂恶劣腐蚀介质油气田的开发，含镍量介于不锈钢和镍基耐蚀合金之间的镍铁基耐蚀合金得到更多的应用[1-5]。

某油气田采输管道项目拟采用L360QS+N08825镍铁耐蚀合金冶金复合管，规格273 mm×（7.1+ 3）mm；L360QS+N08825镍铁耐蚀合金机械复合管，规格273 mm×（7.1+3）mm；N08825镍铁耐蚀合金纯材管，规格168 mm×9 mm。焊材采用比N08825合金成分更高的ERNiCrMo-3和ENiCr-Mo-3。本研究采用冶金复合管水平固定位手工氩电联焊试件进行腐蚀评价及分析。

1 焊接接头腐蚀试验

1.1 腐蚀试样制取

（1） 考虑焊接线能量输入的差异，焊接管材12、3、6钟点部位的试件采用G48 A法进行点蚀和A262 C法进行晶间腐蚀，其余部位的试件采用G28 A法进行晶间腐蚀，以确保全面验证焊接工艺质量。

（2）复合管焊接接头主要验证内覆层耐蚀能力，试样的厚度以内弧面为基准向外弧面方向提取（用于消除过渡层合金成分稀释的影响），取样位置及尺寸如图1所示。纯材管焊接接头腐蚀试样采取用与上述相同的方法制取。

图1 复合管焊接接头腐蚀试样制取示意/mm

（3）以线切割方式提取试样，试样表面采用砂纸逐级打磨并去除边缘毛刺，然后用1.0μm金刚石研磨膏抛光表面，最后依次用蒸馏水、丙酮液清洗，风干后按标准规定进行腐蚀试验。

（4）试样腐蚀试验前后质量称量精度0.001 g，试样腐蚀速率按称重法计算。

1.2 腐蚀试验项目及技术要求

依据土库曼斯坦某气田商品气产能建设工程设计文件，确定镍铁基耐蚀合金管焊接接头腐蚀试验项目及技术要求（见表1）。

表1 腐蚀试验项目及技术要求

2 冶金复合管腐蚀试样不合格项的数据统计及原因分析

2.1 不合格腐蚀试样数据统计及外观

不合格腐蚀试样统计数据见表2，其外观见图2、3、4。

图2 冶金复合管试样（外弧面）边缘点蚀

图3 冶金复合管焊缝熔合区（外弧面）点蚀

图4 焊缝及熔合区（外弧面）晶间腐蚀

表2 不合格腐蚀试样统计数据

2.2 不合格腐蚀试样显微分析

试样腐蚀部位金相及SEM、EDS、SKPFM分析结果：点蚀和晶间腐蚀区域C、Fe含量上升，Ni、Cr、Mo含量不同程度降低，非金属夹杂物含量也不同程度增大。

2.2.1 试样腐蚀前金相显微镜观察结果

（1）显微观察冶金复合管试样抛光后未进行侵蚀的样品，见图5。

图5显示焊缝和熔合区为奥氏体细小枝状晶组织，热影响区为明显增大的奥氏体晶粒，母材主要是均匀分布且晶粒较小的奥氏体组织。

（2）金相法观察冶金复合管试样抛光后未进行侵蚀的样品，见图6。

图6显示：母材、熔合区和焊缝均有D类（球状氧化物类）和氮化物非金属夹杂，焊缝及熔合区的夹杂物含量高于母材区。

2.2.2 点蚀试样SEM分析

冶金复合管点蚀部位微观形貌见图7。

图7显示：焊缝材质几乎不发生腐蚀，点蚀沿焊缝边缘向母材区发育，成梭形，临近蚀坑的夹杂物也与基体发生界面腐蚀。蚀坑处元素分析显示：Fe含量上升，Ni、Mo含量下降。

图5 焊接接头组织金相

图6 焊接接头非金属夹杂物金相

图7 点腐蚀后试样SEM分析

2.2.3 晶间腐蚀试样SEM分析

电子显微镜观察冶金复合管试样晶间腐蚀形貌及析出相能谱，见图8。

图8 冶金复合管晶间腐蚀试样SEM数据

图8 显示：腐蚀区Fe、C含量上升，局部Cr、 Ni含量下降。沿奥氏体晶界及沿晶微裂纹析出相在腐蚀介质作用下发生晶间腐蚀，将导致焊缝耐蚀能力进一步降低。

2.2.4 冶金复合管腐蚀试样SKPFM分析

（1）利用开尔文原子力显微镜扫描熔合线附近的电位分布并进行表征，见图9。

图9 Al2O3夹杂物SKPFM数据

如图9（a）所示，Al2O3在AFM图像上，形貌高于基体，可能因硬度较大不易抛光去除。图9（b）显示，Al2O3在对应位置的表面电势远低于基体，说明腐蚀环境下的夹杂物比奥氏体基体有更强烈的腐蚀倾向，这也与上述SEM分析结果一致。一旦点蚀坑形成并扩展，夹杂物溶解后，点蚀坑内部的局部酸化环境相对外界环境更加严苛，有可能继续侵蚀奥氏体基体。

（2）晶间腐蚀试样熔合区表面电势见图10。

图10 晶间腐蚀试样SKPFM照片

图10 显示：腐蚀区电位相对基体平均电势低-50 mv，腐蚀区材质组分与母材存在差异。分析原因是热焊（过渡层焊接）将基层组分带入根焊层，导致取样范围内的根焊层合金元素稀释。

2.3 焊接接头试样耐蚀性下降因素分析

点蚀和晶间腐蚀均属于局部腐蚀，据资料显示，占腐蚀比例82.2%的局部腐蚀没有明显预兆，容易导致金属构件突发断裂或穿孔，甚至造成严重的安全事故。占局部腐蚀比例11.5%的晶间腐蚀是因超出奥氏体固溶量的C与Cr形成碳化析出物，导致贫Cr，晶界在腐蚀介质作用下发生腐蚀；占局部腐蚀比例25%的点蚀是因金属存在夹杂物、低电位析出相、晶界错位、钝化膜破坏等引发，在特定介质作用下产生的局部电化学腐蚀。

复合管焊接接头更易产生点蚀和晶间腐蚀的原因如下：

（1）冶金复合管试样边缘点蚀试样周边母材的显微形貌见图11，母材表面微小孔蚀说明电化学腐蚀已发生，延长腐蚀时间就会表现出肉眼可见的孔蚀形貌。该点蚀不属于ASTM G48 A法14.2条和14.3条描述的可忽略的边缘麻点，又因远离焊接热影响区而认定与焊接工艺无关，但以称重法测量材料腐蚀速度的方法则会影响焊接接头耐蚀性的评判结果。焊件上抽取减薄（厚度δ＜1.5 mm）的试样，可提高腐蚀试验的通过率；或采用5%稀盐酸溶液预浸泡试样，也可提前筛出导致腐蚀试验不合格的样品。试样表面边缘腐蚀产生的可能原因，一是冶金复合管制造过程中基层金属元素渗入或稀释了内覆层材料，使提取的腐蚀试样抗蚀能力低于N08825合金耐蚀性；二是试件组焊过程产生角变形或组焊过程的内口错边问题，致使试样过多制取了复合管过渡层组分。

图11 试样边缘腐蚀显微图

（2）复合管对接焊的热焊层合金组分会因基层金属元素的掺和而稀释，且热焊熔深对根焊层合金元素的稀释也会造成影响，显著增加的Fe、C导致焊缝点蚀和晶间腐蚀倾向提高。C在奥氏体的固溶度约为0.02%～0.03%（质量分数），焊接热能及多层焊热循环作用会使超出固溶度的C在敏化温度区间形成碳化物析出，晶粒与晶界构成的“活态-钝态”微电偶结构，在腐蚀介质作用下产生晶间腐蚀。依据图12热焊熔深断面及表3热焊熔深的统计数据，改善坡口尺寸、焊接电流及焊接手法完成的焊接试件，制取δ=1.7 mm的试样仍能通过试验要求，说明基层Fe、C元素对根焊层合金具有稀释影响，正确的焊接工艺可以增加根焊层有效的耐蚀厚度，利于提高焊接接头的服役时间。

图12 热焊熔深断面

表3 热焊金属熔深数据

（3）镍基及镍铁基耐蚀合金都是通过基体添加合金元素而提高耐蚀能力，成分高的Inconel 625焊材较Incoloy 825母材具有更高抗点蚀和晶间腐蚀的能力。面心立方晶格的Ni能够大量容纳其他合金；Cr可增强材料抗点蚀和晶间腐蚀能力；Mo增强合金表面钝化膜稳定性，延长点蚀核孕育期（Mo过多会形成σ脆性相，增加点蚀率）；Cu元素可有效增强材料抗非氧化性溶液的侵蚀；Ti与C形成TiC而减少Cr23C6的析出和Cr、Mo偏析等。焊接电弧高温对焊接接头耐蚀性有较大影响，一是合金元素在过渡阶段的烧损会降低材料耐蚀性，二是合金元素与氧、氮生成杂质（夹杂物）而提高点蚀敏感性。据此，镍铁合金（复合管主要是内覆层）管焊接接头耐蚀性影响较大的根焊层和热焊层应采用TIG+背氩保护的焊接工艺。同时，还要注意焊接耗材纯度的要求，如控制焊丝含碳量、氩气纯度、背氩气室氧含量及合金稳定化元素含量等等，确保合理经济投入下获得优质焊接接头。

（4）资料表明，镍基及镍铁基耐蚀合金焊接接头在焊接高温及热循环作用下，晶界析出的碳化物M6C、M2C、M23C6和金属σ相（Fe-Cr）、Ni-Mo相、χ相（Fe36Cr12Mo10）、Laves相（Fe2Mo）等会降低材料耐蚀性。除了Cr23C6析出显著引起贫Cr的晶间腐蚀，600～900℃温区沿晶界析出高Mo金属间相 （高于 850℃为 Ni3Mo，较低温度为Ni4Mo，晶界Mo含量下降也导致抗点蚀和应力腐蚀的能力下降）和富含Cr、Mo的碳化物和金属析出相同样导致晶间腐蚀。焊缝中形成的NiO、Al2O3、MnS、SiO2、TiN、TiO2、FeS等杂质因与母材电位差而增加点蚀倾向。所以，选用高Cr、Mo、Nb配套焊材；降低S、C、Si、Fe含量；缩短焊缝高温停留时间；减少焊接输入热能、机械清除（层间和焊丝端部）氧化物；减少焊接区域金属粉尘；清洁坡口表面污物等措施，都可以改善焊接接头金属组织和析出相的数量，较好提高焊接接头抗点蚀和晶间腐蚀的能力。

3 原始表面试样的腐蚀分析及推断

元素Cr、Mo、Ni具有使镍铁耐蚀合金表面自钝化及钝化膜自修复能力，表面纳米级钝化膜能增强金属耐蚀能力。试验室机加工的腐蚀试样表面光洁度高（清除了焊接接头内壁的原始表面），不能检验焊接接头背部自然形貌和氧化膜对材料耐蚀性的影响。制作焊接接头内壁氧化和色变的试件，抽取的试样在背部不抛光的状态下进行点蚀试验，见图13。

图13 原始表面试样点蚀照片

数据资料及图13点蚀试样表明：金属表面的氧化色变使母材钝化膜破坏或钝化膜修复能力变差；材料表面打磨（坡口内弧面在施工过程的砂轮打磨） 后的粗糙面增大了表观面积和亚稳定微孔数量，易使Cl-代替氧化物而破坏钝化膜；合金成分更高的焊缝金属在原电池反应下仍有优于母材的耐蚀性。

4 结束语

焊接接头是管道系统中最薄弱的环节，接触腐蚀介质的金属表面钝化膜一旦破坏并形成蚀核，则会因合金稀释、铁碳扩散、金属相析出、杂质生成、焊接残余应力及介质状态等因素的交互作用而加快点蚀和晶间腐蚀进程，而提高根焊（内覆层）焊缝有效耐蚀层质量和厚度，只能在一定范围或条件下延缓局部腐蚀的发展。焊接接头的腐蚀试验更适合验证焊缝金相组织、金属纯净度、金属间相等对材料耐蚀性的影响，可用于焊接工艺和焊接材料的准确选择，也可用于该类管材批量应用的可行分析，但不应视为焊接接头腐蚀问题得到有效解决的评判依据。严控管道焊接的工序质量，合理采输工艺的配管设计，消除焊接接头内表面局部腐蚀的诱因，才能最大发挥N08825镍铁耐蚀合金材料相对安全、经济的耐腐蚀优势，确保实现镍铁耐蚀合金复合管道在高温和高含H2S、CO2、Cl-及有机硫等复杂恶劣油气田服役的预期寿命。

[1]赵雪会，白真权，尹成先，等.耐蚀合金材料点蚀及高温高压腐蚀性能研究[J].西安工业大学学报，2010，30（4）：356-360.

[2]卢琳，刘成天，李晓刚.电沉积镍铁合金纳米晶薄膜微结构与耐蚀性能[J].材料科学与工艺，2013，21（1）：37-42.

[3]席正海.国外双金属复合管生产工艺 [J].四川冶金，1989，（4）：52-58.

[4]王成，巨少华，荀淑玲，等.镍基耐蚀合金研究进展[J].材料导报，2009，23（2）：71-76.

[5]SH/T 3523-2009，石油化工铬镍不锈钢、铁镍合金和镍合金焊接规程[S].

Influence Factors on Service L ife ofWelding Joints ofN08825 Nickel-iron Base Alloy

HU Wei，WANG Rongqing，WANG Limin，LIU Yongpeng，WANG Zhen
China Petroleum 7th Construction Company，Qingdao 266300，China

A gathering and transportation pipeline which will work in acid oil/gas field with high temperature，high pressure and high sulfate is supposed to adopt L360QS+N08825 composite pipeline.Hence the pitting corrosion and intergranular corrosion sensitivities are tested for the welding joint at the test-piece inner layer according to ASTM G48 and ASTM G28 standards.By means of SEM、EDS、SKPFM and metallurgicalstudy for the test-pieces，the causes and prevention measures of the pitting corrosion and intergranular corrosions are analyzed.Furthermore，considering the easily oxidized problem of nickel-iron base alloy at welding joints in welding operation and the other environment factors like local corrosion，the relationship between the test results and the pipeline service life is searched.It gives some references to the similar pipeline application and construction quality control.

nickel-iron base alloy；pitting corrosion；intergranular corrosion；welding joint

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.014

胡 伟（1971-），男，山东胶州人，工程师，1998年毕业于化工部石家庄管理干部学院设备与管道安装专业，现从事石油化工工程项目技术管理方面的工作。Email：hw3396@cpscc.com.cn

2016-07-03