碳钢焊接接头腐蚀的有限元模拟
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第39卷第5期 焊 接学报
2 0 1 8 年 5 月
TRANSACTIONS
OF
THE
CHINAWELDINGINSTITUTI0
NV〇1.39(5) ：010-014
May 2018
碳钢焊接接头腐蚀的有限元模拟
路永新
U’3，
李霄
&，
荆洪阳
2’3，
徐连勇
2’3，
韩永典
W
(1.西安石油大学材料科学与工程学院，西安710065; 2.天津大学材料科学与工程学院，天津300072;
3.天津大学天津市现代连接技术重点试验室，天津300072)
摘要
：由于焊接接头各区域之间耐蚀性和力学性能的差异，在接头处容易发生局部腐蚀，严重威胁着管线的安全
运行，需要对接头腐蚀行为进行预测.基于电偶腐蚀原理建立了碳钢焊接接头腐蚀的有限元模型，结合C0MS0L
软件，对三种温度下的接头腐蚀形貌进行了预测.并利用该模型研究了焊缝余高、焊缝与母材的面积比以及焊缝缺
陷对焊缝金属腐蚀速率的影响规律.结果表明，该有限元模型不但能进行焊接接头腐蚀行为预测，而且可为输油气
管道的焊接接头设计提供理论依据.
关键词
：二氧化碳腐蚀；焊接接头；有限元；C0MS0L软件
中图分类号
：T7 406 文献标识码
：A doi
：
10.12073/j. hjxb. 2018390112
0序 言
焊接技术是一种最常用的油气管线连接方法，
它被广泛应用于石油化工行业[1-3].然而，焊接过
程中的热循环使得接头不同区域的成分和组织存在
差异[4].这种差异容易导致接头不同区域的腐蚀速
率不同，特别是焊缝金属优先腐蚀失效的情况时有
发生%5-6].因此，有必要研究焊接接头腐蚀模型，对
接头腐蚀状况进行预测，进而防止由于接头腐蚀失
效引起的管线泄漏事故发生.
Stenta等人[7]使用
IR降的方法计算电偶系统
中腐蚀深度随时间的变化
.Wilder等人[8]使用试验
所得的极化曲线计算2
D平面内腐蚀深度的变化规
律
.Deshpande 等人[9]结合
C0
MS0
LMultiphysics 软
件预测了电偶对的腐蚀速率，并用试验验证了该模
型的准确性
.Lu等人[4]采用
C0
MS0
LMultiphySics
软件模拟和预测了焊接接头吸氧腐蚀和恒电位极化
条件下的腐蚀形貌，并通过试验验证了预测结果的
准确性.然而，未见文献报道高温高压环境下，输油
管线内部焊接接头腐蚀状况的模拟.因此，文中通
过建立碳钢焊接接头腐蚀模型，结合
C0
MS0
LMu1-
tiphysics 软 ， 试 所 应用 模型 ， 模
和预测输油管道焊接接头在不同温度下的腐蚀状况，
为管线焊接接头寿命预测提供了重要的参考意义.
收稿日期！
2016-11 -22
基金项目：
国家自然科学基金资助项目（
51575382);材料成形与模
具技术国家重点实验室开放课题研究基金资助项目
(P2018 -17);西安石油大学《材料科学与工程》省级优势
学科资助项目1碳钢焊接接头腐蚀模型建立
!1控制方程
电解质溶液中物质9的传输符合
Nemst-
Planck
[9
]方程，6
P
；
Vc,
~
zlFul
cl V(
+CIV
(1)
式中为流量;< 为扩散系数;=9
为浓度;0为电荷
数
;U,
为物质
i的迁移率;
F为法拉第常数;（为电
势;
V为相对速度.由方程（1)可知，物质
i的流量等
于其扩散、迁移和对流总和.假设溶液对外呈电中
性，则由法拉第定律可得电解质中的电流密度为
[7
]
9 =F$=0( -<9
Vc-0
UFc,
V() (2)
i
= 1
式中为电解质中的电流密度.
! 2电偶腐蚀模型
假设母材为
A，焊缝金属为
B，它们作为孤立电
极存在时，腐蚀电位分别为£_
，
a和，_
,B，腐蚀电
流® 度分别为 9：
，A和 9。:
，B，且右
Ecom〈
Ecir
.A
Wa
.A
和）
ca分别为母材的
Tafel阳极斜率和
Tafel阴极斜
率，）
a，
B和）
cb分别为焊缝的
Tafel阳极斜率和
Tafel
阴极斜率.焊缝和母材相互电接触时，
A和
B就组
成一个“腐蚀电偶在这个腐蚀电偶中，
A(母材）
是阴极
，B (焊缝）是阳极.忽略浓差极化和溶液电
阻，
A和
B短接后都极化到同一电位,
。。_，则
A极
化到电位为时的阴极极化电流密度绝对值为
I 9
crr
,A
I =
■ 「
/ ^
couple ^
corr.A \ / ^
couple ^
corr,
A \ 1 /
o \
i„rr
,Al
exp( - —v—----^) -
exp( —V—----^)
I (3)
L
P
c A
P
a,A
J第#期路永新，等：碳钢焊接接头腐蚀的有限元模拟11
B作为阳极的极化电流密度为
icorr,B ~
•
「
/ "^
couple ,
co〇',^ \ / ^
couple ,
co〇',
B \ 1
/ /i
\
ic〇rr，
B|
exp( "
-exp( = )|(4)
Pa,
B
Pc，
B
若
A同溶液 的面积为（
i，
B同溶液接触的
面积为（2.则外电路中的电流
Buple为
Buple
T 9
:r，
B(2
T
I 9
:r，
A
I (1 ( # "
同时，假设
A(母材"表面主 阴极还 应，忽
溶 应，即为纯阴极;假设
B( "表面主
溶 应，忽略阴还 应，即为纯阳
极.则
E
;
-E
up
Buple
T(29
OTr，
BeXp(
E
oupl
T(1 9
orr，
AeP(=
E0
c，A
oupl
0
a，B +
X)
c，Ec0
a，B
E
cup;
Ecorr，
A、
0
a，B
Eco
Paj/^
cA
l ( (1’
ccrr，
A、(6)
(
C)AaB+Av
，
a)
^
a，B +
X)
c，A (2
Bcorr，B /
(5)〜式(7)可知
，B与
A电接触后的阳极
溶解电流密度为
Ini
a，
B_
Ecorr，A
Ecorr，B
a，B
i
t
=/)
a，B
X)
c，A + /)
a，B +/)
c，A
n ^ ^
0
c，A
l
t + 0
c，A
l (1
/)
a，B +)
c，A
n
C〇rr，+ /3
a，B +/3
c，A
J ^2(')
! 3有限元模型和边界条件
采用
C0
MS0
L
Multiphysics 5. 1软件建立焊接接
腐蚀模型.为简化计算， 了二维平面电解质
计算域， 长5
mm，每侧热影响区+母材长为
5.5
mm，厚度为6
mm.所建模型的几何形状、网格
划分及边界条件如图1所示. 型为三 ，
总数为24 466,最大和最 分别为
0. 848
mm和0. 004 8
mm.采用
MUMPS求解器进行
求解.
dx=0,
d尸 0
dx=0dx=0
图1焊接接头腐蚀模型
Fig. 1 Welded joint corrosion model2碳钢焊接接头浸泡和电化学测试
两个 *219. 1
mm
X 10. 3
mm 的
A106
B 钢管进
对 ，坡口形式为
V形，采用钨 弧
， 丝选用
ER70
S-G(
JG-50).电弧电压13〜
15
V， 电流 150 〜170
A，热 1. 6 〜1. 7
kJ/
mm.用 温高压
C〇
2腐蚀浸泡试验的试样尺
寸为24
mmx 6
mm
X 5
mm，焊缝位于试样中心，且
贯穿于试样横截面.内侧 表面为测试面，其余
各面用 树脂涂封，测试前试样表面用碳化 •
打磨至1200号，用 乙醇 、 子洗
后吹干待用.高温高压电化学测试试样 为
8
mmx 4
mm
X 3
mm，在其背面点焊铜导线，用 ，
树脂密封在*20
mm的
PVC管中.试样表面处理方
浸泡试样一致.用分析纯化学试剂 子水
配制试验介质，成分为：0. 337
g/L
NaHCO!，28. 234
g/L
NaCl，1.047
g/L
KCl，1.487
g/L
MgCl . 6
H20,
1.080
/L
CaS04 . 2
H20, 2.755
/L
CaCl2 . 2
H20
和 0. 125
g/L
FeCl2 . 4
H20.
温高压
C02腐蚀模拟试验在容积为10
L的高
温高压
FCZ磁力驱 应釜 ，试温度分别
为30,60和90 〇
C，
C02分压0.02
MPa，试验时间5
天.试 用氮气将溶液 12
h，然后通入
C0
气体并使其达到设定分压，溶液的
pH值分别为
5.54,5.60和6.12，电导率分别为2.84,3.16和
3.45
S/
m.试 试样取出、 子冲洗并
吹干， 表面腐蚀产物膜，用
VEEC0光学轮廓仪
测试 表面轮廓.
电化学测试装置为
Gamry
Interface 1000型电化
学工作站，测试在10
L高温高压反应釜 .采
用传统的三电极体系，10
mm
X 10
mm
X 2
mm的销
片电极为对电极，高温高压
A//
AgCl电极（1
mol/L
KCl)为比电极，试样为工作电极.： 1
M开
路电位测试，待开路电位达 定，再 电位极
化测试，测试范围为-0• 3
V
vs.
ocp至+ 0. 3
V
vs.
op，根据
Tafel外推法计算腐蚀电流密度.
3碳钢焊接接头腐蚀有限元模拟
3.1碳钢焊接接头腐蚀模拟与试验验证
表 1 为 同 温度 与 母 材的 电 化学 ，
利用这些
C0
MS0
L软 5天后的腐蚀
预测，结果如图2所示.从图中可以看出，30 口
90
C 的腐蚀深度 ，且 60
C
的腐蚀深度• 30,60 90
C 的
与母
