崔巍 高磊 王東麗 崔艷軍

摘要：利用動電位極化曲線和電化學阻抗譜研究兩種接頭形式、三組焊接電流共六組焊接工藝參數(shù)下的鈦換熱管與鈦管板焊接接頭在3.5%的NaCl溶液中的電化學腐蝕性能。結(jié)果表明：平接形式各組焊接工藝參數(shù)下的接頭試樣耐蝕性均優(yōu)于角接，其中Ⅳ號（平接形式、焊接電流140 A）試樣的耐蝕性能最優(yōu)。選擇合適的焊接工藝參數(shù)有利于提高焊接接頭的耐蝕性能。

關鍵詞：鈦換熱管;焊接工藝參數(shù);電化學腐蝕試驗

中圖分類號：TG457.2 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）08-0124-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.25

0 前言

鈦及鈦合金是一種耐腐蝕性好，具有密度小，強度高[1]、耐高溫、低溫性能優(yōu)良的金屬材料，因此在石油化工行業(yè)得到重視和推廣。鈦制換熱管與管板常用于煉油廠常減壓蒸餾裝置。換熱器中換熱管與管板的焊接接頭（簡稱管板焊接接頭）是使用最頻繁的地方，腐蝕失效是一種重要的失效形式[2]。因此，非常有必要去研究換熱器管板接頭的耐蝕性性能，另外管板焊接接頭采用不同的焊接工藝比較其耐蝕性能，對提高換熱器使用壽命也有重要意義。

1 焊接試驗

1.1 試驗材料

本次焊接試驗選用的TA2管板規(guī)格為400×200×20，交貨狀態(tài)為退火，化學成分如表1所示，經(jīng)檢測內(nèi)外表面質(zhì)量及公差均合格，符合焊接要求。選用的TA2換熱管規(guī)格為φ25×1.5×100，交貨狀態(tài)為退火，化學成分如表2所示，經(jīng)檢驗，工藝性能下的壓扁及擴口性能合格，氣壓試驗合格，超聲檢測合格，內(nèi)表面及外表面質(zhì)量合格，厚度、寬度及長度尺寸公差滿足要求，符合焊接要求。

1.2 管板加工及組對

焊接材料準備完全后進行管板孔的加工，管孔直徑按照GB151-2014中鈦和鈦合金換熱管的管板管孔直徑允許偏差，本次換熱管外徑為φ25 mm，選擇管孔25.4 mm。試板鉆孔完畢后與換熱管進行裝配。

1.3 焊接

換熱管和管板采用惰性鎢極自動氬弧焊，選用平縫和角縫兩種接頭形式，如圖1、2所示，STA1R φ1.0 mm焊絲，化學成分如表3所示。氬氣保護，水平固定焊接，焊接參數(shù)如表4所示，焊后實物如圖3所示。

1.4 試樣

焊接試板施焊完畢后，并經(jīng)滲透檢測合格，然后用線切割機進行取樣。角縫和平縫兩種接頭型式如圖4所示。

1.5 試驗方法

采用PARSTAT2273電化學工作站分別測量6組焊接工藝參數(shù)下的焊接接頭試樣在質(zhì)量分數(shù)是3.5%氯化鈉溶液中的極化曲線與交流阻抗譜。焊接接頭試樣是工作電極，飽和的甘汞電極是參比電極，石墨塊是輔助電極。極化曲線的掃描速率為0.5 mV/s，交流阻抗測試的測量信號幅值為10 mV，阻抗譜測量的頻率范圍在100 kHz～10 mHz之間。

2 電化學腐蝕試驗結(jié)果與分析

2.1 動電位極化曲線

六組試樣在3.5%的NaCl溶液的極化曲線如圖5所示，6個試樣極化曲線的特征參數(shù)如表5所示，包括自腐蝕電位Ecorr與自腐蝕電流密度Icorr。

腐蝕電位（Ecorr）是某一特定的腐蝕體系無外加電流的情況下測量出的金屬電位。它是表示金屬的腐蝕傾向的一個物理量，Ecorr越低說明該金屬越容易被腐蝕，該值越高，說明該金屬不容易被腐蝕[3]。電極的腐蝕電流密度Icorr和腐蝕速率正相關，所以Icorr能反映電極腐蝕速率的快慢程度[4]。由表5可知，對于Ecorr：Ⅳ號>Ⅱ號>Ⅵ號>Ⅰ號>Ⅲ號>Ⅴ號試樣;對于Icorr：Ⅳ號<Ⅱ號<Ⅵ號<Ⅰ號<Ⅲ號<Ⅴ號。分析可得，三組平縫焊接工藝參數(shù)的耐蝕性均優(yōu)于角縫焊接工藝參數(shù)的耐蝕性。Ⅳ號（平縫）焊接工藝參數(shù)下接頭耐蝕性最好。

2.2 電化學阻抗譜

對六組焊接工藝參數(shù)試樣進行在3.5%NaCl溶液中做電化學阻抗測試。測試結(jié)果如圖6所示，圖6中六組試樣的阻抗圖譜均表現(xiàn)為一個單一的容抗弧，表明試件在溶液中的整個腐蝕過程屬于活化控制，電荷的轉(zhuǎn)移是整個電極過程的主要控制步驟，而電荷轉(zhuǎn)移與電極表面的狀態(tài)有直接的關系。對單一容抗弧來說，其曲率半徑越小，說明其耐腐蝕性能越差[5]。分析圖6可知：Ⅳ號（平縫）焊接工藝參數(shù)的抗蝕性最強。

使用Zsimdemo軟件對阻抗譜進行擬合，可獲得擬合出各個試件電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct值。當Rct越大時，試件抗腐蝕性能越好。擬合結(jié)果從圖7中可以看出：Ⅳ號>Ⅱ號>Ⅵ號>Ⅰ號>Ⅲ號>Ⅴ號試樣，所以Ⅳ號試樣的抗腐蝕性能最好，Ⅱ號試樣抗腐蝕性能其次，Ⅴ號試樣最差，這與通過分析容抗弧曲率半徑所得結(jié)果吻合。綜上所述Nyquist圖譜表征的結(jié)果與動電位極化曲線分析所得結(jié)論保持一致。

2.3 試驗結(jié)果分析

通過試驗結(jié)果可以分析：在焊接過程中，必須考慮熱輸入對晶粒大小的影響。隨著電流越大，熱輸出越大，而鈦的導熱系數(shù)小，高溫停留時間長，角接形式接頭不利于焊縫結(jié)構(gòu)處應力的釋放，焊縫及熱影響區(qū)組織明顯粗化。適當增大電流可以細化組織，但當電流進一步增大后，再次出現(xiàn)粗大組織。當電流達到160 A時，不僅熱影響區(qū)寬度明顯增大，而且焊后殘余應力會急劇增大，這對于焊接接頭的綜合性能是不利的。因此，焊接電流為140 A時的平接形式接頭焊接工藝參數(shù)更理想。另外，為提高鈦制熱交換器換熱管與管板焊接效率，在沒有特殊要求的情況下，鈦換熱管端面宜采用平頭焊。焊接時熔到換熱管管壁，利于根部熔合。這樣還可簡化焊接操作，提高焊接速度[6]。

3 結(jié)論

（1）采用不同的方法得到同一結(jié)果，即平縫的耐蝕性更好。其中Ⅳ號（平接形式，焊接電流為140 A）試樣的耐蝕性能最優(yōu)。

（2）根據(jù)實際生產(chǎn)需要如選用平縫接頭，推薦選用Ⅳ號工藝參數(shù)進行焊接;如選用角接接頭，推薦選用I號工藝參數(shù)進行焊接。

參考文獻：

[1] 鄒武裝. “海洋金屬”鈦的特性及應用[J]. 世界有色金屬，2014（8）：28-30.

[2] 元科，高磊，張瑩瑩，等. 316/316L換熱管與316/316L管板焊接接頭電化學腐蝕性能[J]. 電焊機，2015，45（7）：80.

[3] Moberg L E. Electrochemical properties of coroded amal-gams[J]. Scand Dent Res，1987（95）：441-442.

[4] 劉麗，毛英杰，陳志紅. 鈦合金在不同pH值人工唾液中耐腐蝕性能的研究[J]. 中國生物醫(yī)學工程學報，2006，25 （2）：166-169.

[5] 馮興宇. 白銅BFe10-1-1合金晶界特征分布優(yōu)化及耐蝕性能研究[D]. 江西：江西理工大學，2018.

[6] 馬志承，邢卓，張立新，等. 鈦制熱交換器換熱管與管板的快速焊接[J]. 管道技術與設備，2016（4）：45-48.

收稿日期：2019-08-13;修回日期：2020-05-19

作者簡介：崔 巍（1985— ），女，學士，工程師，主要從事壓力容器的焊接與設備推廣工作。E-mail：cuiwei722@sina.com。