焊管焊缝的高应力状态下电化学腐蚀的测量方法及其试样

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焊管焊缝的高应力状态下电化学腐蚀的测量方法及其试样\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种用于大气侵蚀、腐蚀或防腐测量中的电化学腐蚀测量领域，具体地，本发明涉及一种高应力状态下的电化学腐蚀测量方法，更具体地，本发明涉及一种焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法及其使用的试样。\n背景技术\n[0002] 目前，由于生产工艺和技术的提高，焊管越来越多的应用于油田套管。焊管与无缝钢管的差异在于其二者的焊缝性能，尤其在于其二者的耐腐蚀性能不同。现在一般采用电化学阳极氧化法，通过对其的加速腐蚀处理，测定其沟槽腐蚀敏感性系数。\n[0003] 经过热处理和不经过热处理的焊管的焊缝和管体应力状态不同。尤其是在未经过热处理的焊管焊缝处，存在着很大的应力集中，这种应力集中会加快腐蚀，甚至造成断裂。\n迄今为止尚没有有关ERW焊管应力条件下焊缝腐蚀敏感性的报道，但是，本申请人得知，可以采用应力环加载应力测定焊管的腐蚀性能。\n[0004] 例如，专利申请号为“200710045316.2”的本发明人的发明专利申请公开了一种应力状态下的测量焊管腐蚀的装置和测量方法。根据该方法，工作电极采用应力环加载一定载荷，能够测定不同载荷下工作电极的腐蚀行为以及测定焊管实际应用中的沟槽腐蚀敏感性；电解槽侧面设置有一个用于对工作电极施加侧向压力的压紧螺拴，螺拴将加有载荷的工作电极紧压在露有小孔的电解槽侧面，解决了工作电极(试样)形状复杂导致的非腐蚀面密封问题；电解槽的电解质溶液不断更新补充，消除了氧浓度和腐蚀产物对耐蚀性能测定的影响，同时可以防止溶液溢出和流干。电解池的上盖可以拆卸，这样可以在不拆下工作电极的情况下对其进行清洗；采用恒电流法进行测定，保持稳定的腐蚀速率，减小了腐蚀产物对焊缝耐蚀性能测定的影响；能够真实测定不同热处理条件下导致应力的不同对焊管沟槽腐蚀性能影响。\n[0005] 但是，所述方法存在的问题是：采用应力环加载应力的方法不能准确显示加载应力。随着试样的腐蚀会发生少量的应力环所不能显示的应力松弛，而且，试验过程中调节应力不方便。\n[0006] 所述方法还存在的问题是：\n[0007] 外加工的试样加载应力面积较大，螺纹受力面积小，加载高应力时会发生塑性变形甚至滑脱，不能进行高应力条件下的腐蚀测试；\n[0008] 虽然，采用电子万能试验机可以精确的施加和调节目的应力，但是目前这种试验机与电化学仪器相连接时存在着导电的问题，无法充分利用电化学工作站进行测量；\n[0009] 另外，上述方法采用的拉伸试样在夹持时容易发生滑移，无法加载高应力或损坏试样。\n发明内容\n[0010] 为了克服目前对焊管腐蚀研究的局限及不足，本发明的目的在于，提供一种焊管焊缝的高应力状态下电化学腐蚀的测量方法。所述方法使用电子万能试验机和电化学仪器进行测试。所述方法不会发生应力松弛，试验过程中调节应力方便；试样加载高应力时不会发生塑性变形甚至滑脱，能进行高应力条件下的腐蚀测试；可充分利用电化学工作站进行测量。\n[0011] 本发明的目的还在于提供一种使电子万能试验机能够与电化学仪器相连接进行测试时用于焊管焊缝腐蚀测量的工作试样。\n[0012] 本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法的技术方案如下：\n[0013] 一种焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，所述方法使用电子万能试验机和包括工作电极、辅助电极、参比电极、盐桥等的电解池组件，电化学工作站，加载应力，测试不同载荷下工作电极的沟槽腐蚀倾向，其特征在于，\n[0014] 按图10所示进行装置连接，上下夹具将含有电阻焊接套管焊缝的工作电极设置后，在电解池中灌充电解质溶液，使作为工作电极的试样与电解质溶液接触，保持电解池中电解质溶液的不断补充和更新，然后对其进行电化学加速腐蚀；\n[0015] 电解质溶液温度20℃～40℃，测定极化曲线，得到自腐蚀电流进行比较；\n[0016] 电子万能试验机，定时校正因为应力松弛产生的应力变化，采用X射线衍射法测定焊管焊缝处的周向拉应力和工作电极周向拉应力；\n[0017] 试样为两端宽中间窄、两端厚中间薄并且两端开有连接孔的拉伸试样，[0018] 在不同载荷下，测试工作电极的沟槽腐蚀深度d1和均匀腐蚀深度d2，进而得到工作电极在实际应用中的沟槽腐蚀敏感性系数α，α＝d1/d2。\n[0019] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，所述的X射线衍射法，其加载两者应力差值为0～800MPa，电解质溶液温度范围为20℃～25℃。\n[0020] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，所述的恒电位法，当载荷小于400Mpa时，其极化电位范围为-400～-600mV，极化时间48～144小时；当载荷大于400Mpa小于800Mpa时，其极化电位范围为-600～-800mV，极化时间\n48～144小时。\n[0021] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，所述的恒电位法，当载荷小于400Mpa时，其极化电位范围为-500～-600mV，极化时间72～120小时；当载荷大于400Mpa小于800Mpa时，其极化电位范围为-600～-800mV，极化时间\n72～120小时。\n[0022] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，所述的恒电流法，极化电流密度为0.001～0.01mA/cm2时，极化时间为48～196小时；极化电流密度为0.01～0.1mA/cm2时，极化时间为48～72小时。\n[0023] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，所述的恒电流法，极化电流密度为0.005～0.05mA/cm2，极化时间为72～120小时；极化电流密度为0.05～0.5mA/cm2时，极化时间为48～72小时。\n[0024] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，试样两端的孔受力面积和中间焊缝腐蚀部位受力面积比为4∶1-7∶1，保证绝缘插销的压强为试样腐蚀区域压强的1/4～1/7。\n[0025] 根据本发明的的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，所述试样尺寸为：两端宽38-42mm，中间窄为12-16mm、两端厚为10-15mm中间薄为3-6mm，两端连接孔的直径为16-20mm。\n[0026] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，试样上两端涂敷环氧树脂起绝缘作用，以防止试样与接头连接时导电。\n[0027] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，所述电子万能试验机用的上下夹具包括：与所述电子万能试验机连接的上下接头，用于固定上下接头的插销。\n[0028] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，所述试验机上下夹具形状一致，分别上下各开一个插销固定孔，下端设有试样连接槽，所述插销的插入使工作试样与夹具之间绝缘。\n[0029] 根据本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，其特征在于，所述电解池包括电解槽、工作电极、辅助电极、盐桥；所述电解槽采用有机材料制作，电解槽上盖有电池插入孔和参比电极插入孔；电解槽侧面设置有电解质溶液流出阀，另一侧面设置有一圆孔使电解质溶液和试样相接触，圆孔边缘镶嵌有橡皮圈起密封作用；使用橡皮带将电解池与工作电极的试样连接在一起；辅助电极通过电解槽上盖小孔固定在工作电极的对面，其高度与工作电极的高度相同；盐桥安装在电解槽顶盖上并与工作电极相连接；盐桥为直角式毛细管结构，所述铂片的辅助电极形状为圆形。\n[0030] 根据本发明的一种用于焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀测量的试样，其特征在于，所述试样为两端宽中间窄、两端厚中间薄并且两端开有连接孔的拉伸试样，所述试样两端的孔受力面积和中间焊缝腐蚀部位受力面积比为4∶1-7∶1，保证绝缘插销的压强为试样腐蚀区域压强的1/4～1/7。\n[0031] 根据本发明焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，可以使电子万能试验机与电化学工作站联合起来应用于高应力条件下焊管沟槽腐蚀的测量。通过加载不同应力，对不同使用条件下焊管的耐蚀性能进行评定。\n[0032] 本发明的试样可以使夹具连接处受压较低的条件下满足试样工作区域(试样中间部位)的高应力要求，解决了因夹具连接处绝缘层受到高压强而损坏的问题。\n[0033] 本发明的试样解决了常规应力实验试样及其夹具在加载高应力下螺纹发生塑性变形或损坏导致测量不准的问题。\n[0034] 试样由于其不易发生塑性变形及夹持滑移，可以使用电子万能试验机精确的加载一定载荷并且随试验条件的变化能够方便的改变载荷，能够测定不同载荷下工作电极的腐蚀行为以及测定焊管实际应用中的沟槽腐蚀敏感性。\n附图说明\n[0035] 图1为本发明夹具上接头的正视图；\n[0036] 图2为本发明夹具上接头的侧视图；\n[0037] 图3为本发明夹具下接头的正视图；\n[0038] 图4为本发明夹具下接头的侧视图；\n[0039] 图5为试样(工作电极)的俯视图；\n[0040] 图6为试样(工作电极)的侧视图；\n[0041] 图7为绝缘插销示意图；\n[0042] 图8为电解池示意图；\n[0043] 图9为组件连接工作示意图。\n[0044] 1为上夹具接头，2，2’分别为上下夹具接头与电子万能试验机上下套筒具插销连接的贯通孔，3，3’分别为上下夹具接头的试样挂孔，4，4’分别为上下夹具接头的试样连接槽，8为下夹具接头，9为试样上的连接用贯通孔，10为试样，11为上下夹具接头与电子万能试验机上下套筒具连接的插销，12为绝缘用聚四氟乙烯塑料，13，13’分别为绝缘插销，14，\n15分别为供铂电极和盐桥插入孔，16为边缘嵌入密封橡皮圈的电解池电解工作用贯通圆孔，17为电解池，18为电解质溶液流出阀，19为电子万能试验机。\n具体实施方式\n[0045] 下面，举实施例，结合附图对本发明的焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法作进一步详述。\n[0046] 实施例1-3\n[0047] 实施例装置包括万能(拉伸)试验机19、电解池17，电解池17包括：作为试样10的工作电极、辅助电极、参比电极、盐桥、及电化学工作站。\n[0048] 电子万能试验机的上下夹具包括与试验机19连接的上下接头1，8，固定上下接头的插销11，连接试样10与接头1，8的绝缘插销13，13’。所述电子万能试验机上下夹具接头形状一致，分别上下各开一个插销固定用贯通孔3，3’，二端分别设有试样连接槽4，4’。\n夹具接头1，8与试验机连接的二插销孔2，2’使用未绝缘的钢制插销11插入固定，与试样连接的下贯通孔3，3’采用聚四氟乙烯塑料12包覆、起绝缘作用的钢制插销13，13’插入固定，插销13，13’使工作试样10与夹具接头之间绝缘。\n[0049] 试验试样为两端宽中间窄、两端厚中间薄并且两端开有连接孔的拉伸试样10，试样10为两端宽40mm，中间窄15mm、两端厚12mm中间薄4mm，两端开有连接孔的直径19mm，即，试样两端的孔受力面积和中间焊缝腐蚀部位受力面积比为5∶1，保证绝缘插销的压强为试样腐蚀区域压强的1/5。试样上两端涂敷环氧树脂起绝缘作用，以防止试样与接头连接时导电。\n[0050] 电解池17包括电解槽、工作电极、辅助电极、盐桥。电解槽采用有机材料制作，电解槽上盖有电池插入孔14，参比电极插入孔15，电解槽侧面有电解质溶液流出阀18，另一侧面有一个圆孔16使电解质溶液和试样相接触，圆孔边缘镶嵌有橡皮圈起密封作用。\n[0051] 使用橡皮带将电解池与工作电极(试样)连接在一起，即，直接用橡皮条使电解槽与试样绑住，其拆卸和装样比较方便。辅助电极通过电解槽上盖小孔固定在工作电极的对面，其高度与工作电极的高度相同，盐桥安装在电解槽的顶盖上并与工作电极相连接。盐桥为直角式毛细管结构，所述铂片的辅助电极形状为圆形。\n[0052] 电解槽采用透明有机玻璃板粘接而成。电解槽上盖可以自由拆卸，上盖拆卸后可以向电解池注入电解质溶液，电解池侧面装有电解质溶液流出阀18，上面开有两个孔，孔\n14、孔15供铂电极和盐桥插入，盐桥再与参比电极连接。电解池电解工作孔17与试样上焊缝部位贴紧，周围采用橡皮带连接电解池和试样使之固定。试样两端连接电化学工作站电极夹头施加电位进行测量。\n[0053] 测定体系为：溶剂或分散介质：水；\n[0054] 支持电解质：氯化钠(3.5％)，醋酸-醋酸钠缓冲溶液(PH＝6)；\n[0055] 按图9所示进行装置连接。\n[0056] 上下夹具接头1，8将含有ERW缝的工作电极10设置后，在电解池中灌充电解质溶液，使工作电极(试样)与电解质溶液接触，即，通过电解池的一个圆孔16与电解质接触，保持电解池中电解质溶液的不断补充和更新，即，在电解池上设置有电解质排除阀门18，电解质溶液以一定流速排出，另接一电解质储存箱，以一定流速输送电解质溶液到电解池中。\n然后对其进行电化学加速腐蚀，即，采用恒电位法进行加速腐蚀。“含有ERW缝的工作电极”指的是工作电极上含有ERW焊缝，即，含有电阻焊接套管焊缝的工作电极。由于沟槽腐蚀是发生在焊缝部位，所以要带有焊缝。\n[0057] 电解质溶液温度20℃～40℃，测定极化曲线，得到自腐蚀电流进行比较。\n[0058] 电子万能试验机19(型号WDW-800，济南试金集团有限公司生产)，对试样加载应力0～800MPa，定时校正因为应力松弛产生的应力变化，采用X射线衍射法测定焊管焊缝处的周向拉应力和工作电极周向拉应力。\n[0059] 试样为两端宽中间窄、两端厚中间薄并且两端开有连接孔的拉伸试样。\n[0060] 在不同载荷下，测试工作电极的沟槽腐蚀深度d1和均匀腐蚀深度d2，将d1和d2两者相比，进而得到工作电极在实际应用中的沟槽腐蚀敏感性系数α，α＝d1/d2。\n[0061] 以上夹具接头1为例。上夹具接头1套在电子万能试验机上套筒具中，使用仪器自带的插销11穿通过孔2固定，试样10一端安装在试样连接槽4中，试样上的圆孔9与接头上孔3平齐，将绝缘插销13插入孔3中固定试样10与上夹具接头1。下夹具接头8按上述同样方法方向相反安装在仪器底座上。\n[0062] 测试实施方式及结果见表一。\n[0063] 本发明所设计的夹具可以使电子万能试验机与电化学工作站联合起来应用于高应力条件下焊管沟槽腐蚀的测量。此夹具使试样与拉伸仪器绝缘，可以采用电化学工作站进行腐蚀测量。通过加载不同应力，对不同使用条件下焊管的耐蚀性能进行评定。\n[0064] 本发明所设计的试样可以使夹具连接处受压较低的条件下满足试样工作区域(试样中间部位)的高应力要求，解决了因夹具连接处绝缘层受到高压强而损坏的问题。\n[0065] 本发明所设计的试样解决了常规应力实验试样及其夹具在加载高应力下螺纹发生塑性变形或损坏导致测量不准的问题。\n[0066] 试样由于其不易发生塑性变形及夹持滑移，可以使用电子万能试验机精确的加载一定载荷并且随试验条件的变化能够方便的改变载荷，能够测定不同载荷下工作电极的腐蚀行为以及测定焊管实际应用中的沟槽腐蚀敏感性。\n[0067] 实施例1、2、3采用电子万能试验机加载应力0～800MPa，测定其自腐蚀电位和自腐蚀电流，在其自腐蚀电位数值上再加以正50-100mV电位，以保证腐蚀条件的一致性。恒电位极化时间为72～120小时，测试不同载荷下工作电极的沟槽腐蚀倾向。\n[0068] 实施例4\n[0069] 除了采用恒电流法，试样为两端宽38mm，中间窄13mm、两端厚11mm中间薄3mm，两端开有连接孔的直径17mm，即，试样两端的孔受力面积和中间焊缝腐蚀部位受力面积比约为6∶1，保证绝缘插销的压强为试样腐蚀区域压强的约1/6，未测得自腐蚀电流，溶液温度改变之外，其他如同实施例1-3，进行本发明的测量。\n[0070] 实施例5\n[0071] 除了试样为两端宽42mm，中间窄18mm、两端厚15mm中间薄6mm，两端开有连接孔的直径20mm，即，试样两端的孔受力面积和中间焊缝腐蚀部位受力面积比约为5∶1，保证绝缘插销的压强为试样腐蚀区域压强的约1/5，溶液温度改变之外，其他如同实施例1-3，进行本发明的测量。\n[0072] 实施例6\n[0073] 除了测定时间、溶液温度改变之外，其他如同实施例1，进行本发明的测量。\n[0074] 实施例7\n[0075] 除了测定时间、溶液温度改变之外，其他如同实施例4，进行本发明的测量。\n[0076] 表一\n[0077] \n 加载 溶液 测定 自腐蚀 施加腐 测定 自腐蚀 d1 d2 沟槽腐\n 应力 温度 方法 电位 蚀电位/ 时间 电流 (mm) (mm) 蚀敏感\n (MPa) (℃) 电流 (h) (mA/cm2) 性系数\n 实施例1 150.8 25 恒电位 -580mV -480mV 96 7.2×10-6 1.03 0.78 1.32\n 实施例2 400.2 25 恒电位 -650mV -600mV 72 6.4×105 1.28 0.88 1.45\n 实施例3 550.1 25 恒电位 -720mV -670mV 72 3.8×104 1.56 0.99 1.58\n 0.005\n 实施例4 330.5 35 恒电流 - 96 - 0.9 0.65 1.38\n mA/cm2\n 实施例5 250.4 20 恒电位 - -600mV 72 - 1.31 0.96 1.37\n 加载应 溶液 测定 自腐蚀 施加腐 测定 自腐蚀电 d1 d2 沟槽腐\n 力(MPa) 温度 方法 电位 蚀电位 时间 流 mm mm 蚀敏感\n (℃) (h) mA/cm2 性系数\n 实施例6 150.8 40 恒电位 -650mV -550mV 48 9.7×10-6 1.03 0.82 1.25\n 330.5 25 恒电流 - 0.005 72 - 1.26 0.98 1.29\n 实施例7\n mA/cm2\n[0078] 实施例8-12\n[0079] 除了改变加载应力、极化电位或电流及其时间之外，其他如同实施例1-5，分别对应形成实施例8-12，进行本发明的测量。其结果示于表二。\n[0080] 表二\n[0081] \n蚀\n腐槽 性感 数 73. 94. 75. 83. 13.\n沟 敏 系 1 1 1 1 1 \n2d )mm( 58.0 28.0 90.1 19.0 50.1 \n1d )mm( 61.1 22.1 17.1 62.1 73.1 \n蚀腐自 流电 2 )mc/Am( 5 01×5.8 5 01×1.8 4 01×8.3 - - 定 间 )h 02 2 6 2 2\n测 时 ( 1 7 9 7 7 \n/\n腐加 位电 流 Vm08 Vm03 Vm07 60 2mc/ Vm05\n施 蚀 电 4- 6- 6- .0 Am 5- \n蚀腐 位 Vm08 Vm08 Vm02\n自 电 5- 6- 7- - - \n位 位 位 流 位\n定 法 电 电 电 电 电\n测 方 恒 恒 恒 恒 恒 \n \n)\n液 度 ℃ 5 5 5 5 0\n溶 温 ( 2 2 2 3 2 \n)a 8. 1. 5. 4.\n载加 力应 PM( 052 054 055 033 052 \n \n8 9 01 11 21\n例 例 例 例 例\n施 施 施 施 施\n实 实 实 实 实 \n[0082] 根据本发明焊管焊缝的高应力状态电化学腐蚀的测量方法，可以使电子万能试验机与电化学工作站联合起来应用于高应力条件下焊管沟槽腐蚀的测量。通过加载不同应力，对不同使用条件下焊管的耐蚀性能进行评定。\n[0083] 本发明的试样可以使夹具连接处受压较低的条件下满足试样工作区域(试样中间部位)的高应力要求，解决了因夹具连接处绝缘层受到高压强而损坏的问题。\n[0084] 本发明的试样解决了常规应力实验试样及其夹具在加载高应力下螺纹发生塑性变形或损坏导致测量不准的问题。\n[0085] 试样由于其不易发生塑性变形及夹持滑移，可以使用电子万能试验机精确的加载一定载荷并且随试验条件的变化能够方便的改变载荷，能够测定不同载荷下工作电极的腐蚀行为以及测定焊管实际应用中的沟槽腐蚀敏感性。