埋地高强管线钢焊接接头显微组织的微区电化学研究项目摘要

应用腐蚀宏观电化学和微区电化学测试技术，如扫描振动电极技术（SVET）、局部电化学阻抗 (LEIS)、扫描电化学显微镜（SECM）等，对X80、X120高强管线钢和X70高强管线钢（用于比较实验）的焊接接头不同区域的显微组织，在鹰潭酸性及库尔勒碱性盐渍土壤模拟溶液中的宏观电化学行为和微区电化学行为进行系统测试与研究，并结合扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）、拉曼光谱等材料微观组织结构和成分分析技术，研究以上焊接接头不同区域显微组织在土壤模拟溶液中腐蚀起始和发展过程中的微区电化学行为，即微区电位与局部交流阻抗变化与显微组织之间的关系，在分析焊接接头显微组织、腐蚀宏观电化学行为、微区电化学行为三者之间的内在关系的基础上，研究X80和X120焊接接头不同组织的腐蚀电化学的规律和机理，为长寿命、大口径高强管线钢的制备及焊接乃至实际应用奠定学科基础。

本文以西气东输为研究背景，主要研究了X80钢及其焊接接头模拟组织在鹰潭土壤和库尔勒土壤模拟溶液中的宏观和微观电化学行为，通过分析焊接接头显微组织与宏观腐蚀电化学行为、微区电化学行为之间的内在联系，研究了X80钢焊接接头不同组织的腐蚀电化学机理，取得了许多规律性和创新性成果，有助于对高强管线钢腐蚀机理更深层次的理解，可为管线钢材料的成分设计、组织优化、制备加工、焊接工艺、寿命预测以及其它的实际应用奠定学科基础。研究得到的主要结论有： （1）X80钢热轧、淬火、正火和退火组织在鹰潭酸性土壤模拟溶液中晶粒内部作为阳极优先发生腐蚀溶解，热轧组织的铁素体晶界和各种热处理组织的原始奥氏体晶界以及第二相保留作为阴极，对晶粒内部的阳极溶解有加速作用，其形态、分布和面积比均对X80钢的相电化学腐蚀速率产生较大影响。 （2）X80钢热轧、淬火、正火和退火组织在不同Cl-浓度和不同pH值溶液中的阴、阳极反应机理相同，各种组织的宏观极化曲线差别不大。Cl-作为阳极溶解反应的催化剂，对X80钢及其各种热处理组织的阳极溶解具有加速作用，正火组织对Cl-的吸附量大于其余组织。 （3）各种组织在鹰潭土壤模拟溶液中的SVET电流密度大小顺序为：淬火组织>正火组织>热轧组织，淬火组织>正火组织>退火组织。针状铁素体组织晶粒内部的阳极溶解电流密度小于板条-粒状贝氏体和多边形-准多边形铁素体。 （4）X80钢渗碳试样最外侧高碳区和过共析层在鹰潭土壤模拟溶液中不腐蚀；共析层退化珠光体组织的铁素体基体发生腐蚀溶解，渗碳体保留；中心铁素体区的铁素体晶界和第二相保留，铁素体晶粒内部发生腐蚀溶解。Volta电位随着C含量的减少而升高，鹰潭模拟溶液中的SVET电流密度随着C含量的减少而降低。 （5）X80钢焊接热模拟组织由四个区域组成，从加热中心开始分别为粗晶区、细晶区、过渡区和母材。在鹰潭土壤模拟溶液中浸泡时，各个区域均为晶粒内部优先发生腐蚀，原始奥氏体晶界、铁素体晶界和第二相保留。加热中心的Volta电位最低，随着原始奥氏体晶粒尺寸的减小，Volta电位逐渐升高，在细晶区达到最高，到过渡区形成第二个Volta电位低谷，母材区重新升高。 2100433B

管线钢的组织结构是决定其使用性能和安全服役的根据，目前，根据显微组织可将管线钢分为以下4类：

1、铁索体-珠光体管线钢

铁素体一珠光体管线钢是20世纪60年代以前开发的管线钢所具有的基本组织形态，X52以及低于这种强度级别的管线钢均属于铁素体一珠光体，其基本成分是碳和锰，通常碳含量（质量分数，下同）为0.10%一0.20%，锰含量为1.30%～1.70%，一般采用热轧或正火热处理工艺生产。当要求较高强度时，可取碳含量上限，或在锰系的基础上添加微量铌和钒。通常认为，铁素体一珠光体管线钢具有晶粒尺寸约为7μm的多边形铁素体和体积分数约30%的珠光体。常见的铁素体一珠光体管线钢有5LB、X42、X52、X60、X60和X70。

2、针状铁素体管线钢

针状铁素体管线钢的研究始于20世纪60年代末，并于70年代初投入工业生产。当时，在锰一铌系基础E发展起来的低碳．锰一钼一铌系微合金管线钢，通过钼的加入，降低相变温度以抑制多边形铁素体的形成，促进针状铁素体转变，并提高碳、氮化铌的沉淀强化效果，因而在提高钢强度的同时，降低了韧脆转变温度。这种钼合金化技术已有近40年的生产实践。近年来，另一种获取针状铁素体的高温工艺技术正在兴起，它通过应用高铌合金化技术，可在较高的轧制温度条件下获取针状铁素体。常见的针状铁素体管线钢有X70、X80。

3、贝氏体一马氏体管线钢

随着高压、大流量天然气管线钢的发展和对降低管线建没成本的追求，针状铁素体组织已不能满足要求。20世纪后期，一种超高强度管线钢应运而生。其典型钢种为X100和X120。1988年日本SMI公司首先报道了，X100的研究成果。经历了，多年的研究和开发，X100钢管于2002年首次投入工程试验段的敷设。美国ExxonMobil公司于1993年着手X120管线钢的研究，并于1996年与日本SMI公司和NSC公司合作，共同推进X120的研究进程，2004年X120钢首次投人丁程试验段的敷设。

贝氏体一马氏体管线钢在成分设计上，选择了碳一锰—铜—镍—钼—铌—钒—钛—硼的最佳配合。这种合金设计思想充分利用了硼在相变动力学上的重要特征。加入微量的硼(ω_B=0.0005%～0.003%)，可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上形核，使铁素体曲线明显右移。同时使贝氏体转变曲线变得扁平，即使在超低碳(ω_C=0.003%)情况下，通过在TMCP中降低终冷温度(<300℃)和提高冷却速度(>20℃/s)，也能获得下贝氏体一板条马氏体组织。常见的贝氏体—马氏体(B—M)管线钢有X100、X120。

4、回火索氏体管线钢

随着社会的发展，需要管线钢具有更高的强韧性，如果控轧控冷技术满足不了这种要求，可以采刚淬火 回火的热处理工艺，通过形成回火索氏体组织来满足厚壁、高强度、足够韧性的综合要求。在管线钢中，这种同火索氏体也称为同火马氏体，是超高强度管线钢X120的一种组织形态。

本课题将在实土埋样和模拟溶液腐蚀研究的基础上，对高强管线钢在土壤薄液膜下的腐蚀电化学机理开展系统研究，通过对比实土埋样、模拟溶液和土壤薄液膜下的腐蚀行为与机理，进一步加深对土壤腐蚀主要影响因素的认识；系统开展土壤薄液膜下高强管线钢腐蚀的相电化学机制以及应力腐蚀裂纹萌生和扩展不同演化阶段及其关键影响因素研究，进一步揭示高强管线钢在我国土壤环境中腐蚀和应力腐蚀的关键影响因素；确定涂层下闭塞薄液环境对局部腐蚀的促进作用及其电化学机理，确定显微组织所对应的微电极过程动力学过程对局部腐蚀萌生与扩展的影响机制，结合非稳态电化学理论建立并进一步发展高强钢应力腐蚀裂纹扩展安全评价理论与测试方法。该课题不仅能为我国高强管线钢的性能优化、管线防护及安全评价提供更完善的理论依据，而且能提升土壤环境腐蚀的研究水平，具有重要的实际工程价值和理论意义。

当一侧覆盖有金属和修饰物的微悬臂梁（以下简称微梁）与被测物特异性作用时，由于两侧的应力不同，微梁产生变形，通过测量变形的程度可识别或定量测定被测物质。本申请将电分析化学的方法和技术与微悬臂梁传感器技术相结合，研究微梁电极上施加不同电信号的分析方法；在微梁电极上实现微梁变形信号与电化学反应信号同步获取以研究电化学反应机理；研究外部交流信号激发微梁共振的分析方法；研究当电极与微梁近距离靠近时，电极反应对微梁测定的控制与影响以及用微梁表征电极表面的电化学反应。目的是研究出高灵敏度、高选择性的无标记免疫分析、酶催化反应以及其它类型的新型电化学微梁传感器。 2100433B