近年來，隨著我國經濟不斷的發展，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先發生腐蝕破壞[3]。X80鋼除了土壤環境，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現，在熱影響區與母材和焊縫組成的偶對中熱影響區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境中的腐蝕行為及溫度變化對腐蝕行為的影響規律，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-不完全淬火區-完全淬火區 （細晶區和粗晶區）-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為無畸變的再結晶區，再結晶區組織由細小的鐵素體和貝氏體組成；圖2c為熱影響區（HAZ） 的不完全淬火區，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為熱影響區的完全淬火區的細晶區，由細小的粒狀貝氏體和細晶鐵素體組成；圖2e為完全淬火區的細晶區向粗晶區過渡區域，貝氏體明顯長大；圖2f為焊縫區，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。可見，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。觀察發現：經過2 h后焊接接頭不同部位發生腐蝕的程度并不相同，母材和熱影響區先于焊縫發生明顯腐蝕，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，焊接熱影響區的自腐蝕電位最負，即從腐蝕熱力學看，熱影響區的腐蝕傾向最大，而焊縫的腐蝕傾向較小；焊縫的自腐蝕電流密度較小，焊接熱影響區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，即低頻區大容抗弧和高頻區小容抗弧，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生腐蝕時，母材先于焊縫發生腐蝕，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于母材和熱影響區，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Rt與母材相近，焊縫Rt最大；母材與熱影響區腐蝕產物膜電阻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于母材和熱影響區，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，其中焊接熱影響區的腐蝕傾向最大，易于發生腐蝕；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于母材與熱影響區，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與熔合區，其區域狹小且組織分布極不均勻，特別是熱影響區的粗晶區和熔合區組織復雜、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的腐蝕傾向最大，易于發生腐蝕；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于母材與熱影響區，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） 熱影響區的粗晶區和熔合區組織復雜、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。