張 明，張偉凱，王 輝，邱淑娟，李士斌

(1.國家管網(wǎng)集團西部管道有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國船級社質量認證公司，北京 100010)

0 前 言

管道運輸作為最安全、最經濟的油氣資源輸送方式，是陸地和海上油氣生產系統(tǒng)中至關重要的環(huán)節(jié)。而作為管道運輸時的重要工具，輸油泵的安全性和使用壽命會極大地制約管道運輸成本。離心泵是最常用的輸油泵之一，離心泵屬于速度式泵，依靠離心力輸送液體，使液體的壓力或者速度增大[1-3]。離心泵由內部轉子和外部擴流器組成，擴流器由一些鋼板焊接而成。焊縫是擴流器的薄弱環(huán)節(jié)，在擴流器使用過程中經常失效，極大地增加了原油外輸?shù)某杀尽?/p>

原油管道運輸時最容易失效的部分就是管道和離心泵[4]。關于管道失效的研究，已經有了大量的報道。管道失效部位較復雜，包括管道本體、絕緣接頭、絕緣法蘭、保溫層等[5-8]。為了提高管道的強度，有效降低管線建設成本，學者們建議使用X80 等高級鋼作為管道的基材[9，10]。但使用X80 鋼后，又帶來了新的問題，X80 鋼的氫脆敏感性要明顯高于低等級管線鋼，導致焊縫容易因氫脆而腐蝕失效[11，12]。X80、X70 等高級鋼在焊接時缺少低氫電極，導致氫含量增加，加上壁厚過渡不均、位錯等施工因素造成局部的應力集中，最終導致焊縫發(fā)生氫致開裂[13，14]。

關于離心泵的失效問題，學者們開展了一些研究。Mishra 等[15]針對離心泵軸承失效的原因進行了分析，通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)水和油等輸送介質通過密封件進入軸承是導致軸承失效的主要原因。Feng 等[16]通過試驗研究了在停電的瞬間離心泵的工作特性，試圖找到離心泵瞬時失效的原因。Gupta 等[17]建立了一個新的離心泵潛在故障評估模型。Roy 等[18]研究了軸鍵槽標準尺寸的微小偏差對鍵槽座疲勞特性的影響。Yu等[19]采用有限元軟件對離心泵轉子葉輪與軸之間的松動故障原因進行了分析。Asl 等[20]通過有限元軟件研究了幾何形狀對離心泵殼體力學性能的影響，并根據(jù)研究結果設計了一些新的殼體。然而這些關于離心泵失效問題的研究，主要關注的是離心泵轉子的葉輪、軸承以及殼體，對離心泵焊縫的研究還鮮有報道。焊縫的失效原因多種多樣。Xing 等[21]研究了氫對環(huán)焊縫斷裂韌性和裂紋擴展的影響，發(fā)現(xiàn)焊縫組織粗、小角度晶界多，在含氫環(huán)境下的止裂性能差。Kumar 等[22]對316ln 奧氏體不銹鋼焊縫的機械低周疲勞變形和失效行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)焊接狀態(tài)相比，316ln SS焊縫的初始循環(huán)硬化次數(shù)更多。Li 等[23]研究了氫氣轉化爐出口豬尾管焊封的失效原因，發(fā)現(xiàn)豬尾管出口焊縫失效是由于高溫工況下的應力松弛開裂所致?？梢?，因為使用材料、工作環(huán)境和焊接方式的差異，擴流器焊縫的失效機理具有其獨特性，有必要專門針對擴流器焊縫的失效機理開展研究。

本工作旨在研究管道運輸時離心泵擴流器焊縫的失效機理。以從某輸油站淘汰下的已失效擴流器為原材料，對擴流器焊縫進行掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和電子背散射衍射(EBSD)檢測，結合3 種檢測結果和擴流器工作環(huán)境，從微觀結構角度分析擴流器焊縫的失效機理。根據(jù)EBSD 檢測結果計算焊縫、熱影響區(qū)及基體的臨界位錯密度ρGND，通過ρGND定量比較3 個位置的強度和韌性。結合擴流器失效機理，為改善擴流器性能和延長擴流器使用壽命提出了一些建議。本研究的成果可以為油氣集輸工程師、離心泵制造商提供一定的參考。

1 試 驗

1.1 離心泵擴流器介紹

離心泵主要由轉子和擴流器組成，擴流器的作用是優(yōu)化離心泵內部流場分布和消除水力產生的徑向力。

擴流器由8 塊鋼板和上下2 個頂板組成，鋼板焊接在上下2 個頂板之間。在工作過程中，擴流器葉片內緣會受到高速運動流體的沖擊和轉子外緣的摩擦。擴流器葉片在長期的沖擊和摩擦載荷作用下容易發(fā)生疲勞失效，而這些失效位置往往在葉片與頂板間的焊縫處。觀察某輸油站淘汰下來的已失效擴流器可見，焊縫處存在清晰的裂紋，且部分裂紋已經逐漸向葉輪中間延伸?，F(xiàn)場已有多個離心泵出現(xiàn)類似失效情況，裂紋從焊縫處萌生，并沿著焊縫擴展，最終導致整個葉片崩落。

1.2 測試樣品準備

如圖1 所示，分別從3 號和5 號擴流器葉片上取下了一小塊樣品(3 號葉片上記為樣品1，而5 號葉片上記為樣品2)用于SEM、EDS 和EBSD 檢測。

圖1 焊縫缺陷取樣位置Fig.1 Sampling location of weld defect

失效擴流器樣品見圖2。可以明顯的觀察到樣品1 焊縫上存在肉眼可見的裂紋，裂紋沿著扎向(RD)往焊縫深處延伸。焊縫處已經發(fā)生了銹蝕，需要對樣品表面進行處理，以消除樣品表面氧化生銹對檢測結果的干擾。本研究采用10 mL 硝酸、20 mL 鹽酸和30 mL純水的混合物對樣品表面進行刻蝕。樣品1 的裂紋較小且在焊縫與基體交界處，比較適合進行EBSD 檢測，因此將樣品1 作為EBSD 檢測樣品。在EBSD 檢測前需要對樣品表面進行氬離子拋光、打磨，本研究使用金相研磨機對樣品進行打磨，使用gatan 685 氬離子拋光機對樣品進行拋光，然后使用SU-3400N 掃描電子顯微鏡對2 個樣品進行SEM 和EDS 檢測。

圖2 失效擴流器樣品Fig.2 Failure sample of enlargement

2 結果與討論

2.1 SEM 和EDS 檢測結果

離心泵擴流器由Q345B 鋼組成，Q345B 鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)如下:Fe 97.160，C 0.200，Si 0.500，Mn 1.700，Mo 0.100，S 0.035，Cu 0.300。Q345B 鋼為普通碳素鋼，屈服強度為345 MPa。

2.1.1 樣品1 檢測結果

圖3 為樣品1 表面局部的SEM 形貌。表1 為樣品1 中3 個位置的EDS 檢測結果。從圖3e 中可見，樣品1 表面有許多的球狀顆粒，這些顆粒大小不一，且左側分布裂紋較多，右側較少。對左側裂紋進一步放大，放大結果如圖3d 所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，在圖3e 中所示的球狀顆粒之間存在更小的球狀顆粒。按照圖3d 中標示位置對這些球狀物體進行EDS 檢測，同時對圖3e 中表面完好的位置也進行EDS 檢測，可以發(fā)現(xiàn)這些球狀物體的組成元素中O 含量特別高，說明這些球狀物體可能是腐蝕產物。這些腐蝕產物的主要成分應該是鐵及少量其他金屬元素(如Mn 和Mo)的氧化物。這些球狀物體中含有1.24%Cl 和0.56%H，據(jù)此可以初步推斷擴流器焊縫表面存在嚴重的氯離子腐蝕。除了球狀腐蝕產物外，在圖3e 中還可觀察到許多的點蝕坑，點蝕坑是氯離子腐蝕的顯著特征之一[24]。將圖3e 中的一個點蝕坑進行放大，放大結果如圖3b 所示。從圖3b中可見，點蝕坑中也存在許多大小不一的球狀腐蝕產物，此外在點蝕坑的周圍可以觀察到一層破損的氧化膜，這進一步證明了擴流器焊縫發(fā)生了氯離子腐蝕。氯離子容易吸附在因表面鈍化膜破損而裸露的金屬表面，使得金屬表面與鈍化膜之間產生電位差、形成原電池，從而加速裸露金屬的腐蝕[25，26]。氯離子與金屬元素結合形成的腐蝕產物容易運移，不能夠在金屬表面堆積成膜阻擋金屬進一步的腐蝕，最終就會在金屬表面形成越來越大的點蝕坑。

表1 樣品1 的EDS 檢測結果Figure 1 EDS detection result of Sample 1

圖3 樣品1 的SEM 形貌Fig.3 SEM Morphology of Sample 1

從圖3e 中可以觀察到，在裂縫的右側有一條裂紋穿過了多個點蝕坑，并且在這條裂紋的兩側分布著許多次級裂紋。將裂紋左側的次級裂紋放大，放大結果如圖3f 所示。從圖3f 中可以觀察到在次級裂紋周圍還有許多的微裂紋，微裂紋附近都有點蝕坑，這些微裂紋大多是從點蝕坑開始向外擴展的。在圖3e 中還觀察到一層暗淡的薄膜狀物體，其放大后的結果如圖3h所示。對圖3h 中的薄膜狀物體進行EDS 檢測，可以發(fā)現(xiàn)其中含有71.69%的C，因此可以斷定這層薄膜狀物體應該是在焊接過程中形成的碳化物。此外，從3 處EDS 檢測結果中還發(fā)現(xiàn)了K、Na、Ca 等元素，這說明焊縫中存在夾渣等缺陷，因為K、Na、Ca 是焊接時所使用藥皮的主要成分之一。

2.1.2 樣品2 檢測結果

圖4 為樣品2 表面局部的SEM 形貌。從圖4a 中可見，由于樣品2 經過了氬離子拋光處理，其表面比較光滑，但仍然可見右側的空洞中有一條明顯的裂紋一直延伸到了圖4a 的左上角。同時，從圖4a～4d 中都可以觀察到許多大小不一的點蝕坑，甚至有一些點蝕坑已經長大，形成了近20 μm 的空洞。圖4b 中可以觀察到圖4a 中裂紋的裂紋尖端，裂紋尖端兩側也分布著大小不一的點蝕坑。此外，從圖4a 和4b 中可以發(fā)現(xiàn)有幾條較暗的條紋，這些條紋大多經過點蝕坑?？紤]到擴流器的工作特點，認為這些條紋是擴流器在使用過程中，由于長期經受高速運動流體的沖蝕和與轉子部分的接觸摩擦而產生的機械損傷(如劃痕等)。

圖4 樣品2 的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of Sample 2

從圖4c 中可以發(fā)現(xiàn)，基體與焊縫之間的腐蝕狀況存在明顯的差異。焊縫處普遍存在點蝕坑，以及個別較大的空洞，即使樣品2 經過拋光處理，這些點蝕坑、空洞在SEM 照片中仍清晰可見。而基體則比較光滑，越是遠離焊縫，基體表面越是光滑。在圖4a 中可以比較清晰地觀察到樣品2 表面的金相。在圖4d 中也能觀察到點蝕坑，甚至于在圖4a 中尺寸較小、不易觀察的點蝕坑也能觀察到。此外，在圖4d 右下角中可以觀察到羽毛狀的物體，這是羽毛狀貝氏體(也稱上貝氏體)[27]。上貝氏體主要在較高溫度區(qū)域內形成，其在強度韌性方面的性能均較差，在生產時要極力避免。焊縫處發(fā)現(xiàn)上貝氏體，再次說明擴流器的焊接工藝較差，存在許多原始缺陷。

圖5 為樣品2 中2 個位置的能譜，分析結果見表2。從圖5a 中可見，圖4a 中裂紋源處的元素組成與圖3d 處的元素組成類似，都含有較多的O 和Cl，這再次說明擴流器存在氯離子腐蝕。此外，圖4a 中的裂紋源的外形與各個部分普遍存在的空洞外形相似，這說明圖4a 中的裂紋可能是從一個較大的空洞處萌生的。同時，從圖5a 中還可以發(fā)現(xiàn)，在裂紋源處也存在K、Na等元素，這進一步證明焊縫處存在夾渣等原始缺陷。圖5b 為基體處的EDS 檢測結果，從圖5b 中可以看出，基體處的元素組成中也含有少量的O，這說明基體也發(fā)生了一定的腐蝕，但腐蝕程度比較低。

表2 樣品2 的EDS 檢測結果(圖5a)(質量分數(shù)) %Tbale 2 EDS detection results of Sample 2(Fig.5a)(mass fraction) %

圖5 樣品2 的EDS 檢測結果Fig.5 EDS detection results of Sample 2

2.2 EBSD 檢測結果

2.2.1 焊縫處

圖6 為擴流器焊縫處裂紋的EBSD 檢測結果。在EBSD 檢測中，花樣質量可以用來評判材料表面的缺陷情況，存在缺陷的地方的圖像非常暗淡，而沒有缺陷的地縫則比較明亮。

圖6 擴流器焊縫處裂紋的EBSD 檢測結果Fig.6 EBSD detection results of cracks at the weld seam of the diffuser

從圖6a 中可以發(fā)現(xiàn)，在裂紋源的左下角有幾條暗色條紋，這些條紋越是靠近裂紋源就越暗淡。這說明在這些位置存在缺陷，這進一步證實了焊縫表面曾受到過機械損傷(劃痕)。擴流器焊縫的材質為Q345B鋼，Q345B 鋼為普通碳素合金鋼，在常溫下主要含有鐵素體、馬氏體等固溶在α-Fe 中的組織。奧氏體則是碳在γ-Fe 中的固溶體，屬于高溫相，一般在常溫下不存在。但通過圖6b 可以發(fā)現(xiàn)在樣品中存在奧氏體(γ-Fe)。這是因為在焊接過程中，部分鐵素體、馬氏體在高溫作用下發(fā)生相變，轉化為奧氏體(γ-Fe)，大部分奧氏體在冷卻過程中又會轉變?yōu)殍F素體、馬氏體。但由于降溫速度過快，部分奧氏體來不及轉變，就和馬氏體共存在了常溫下。殘余的奧氏體在常溫下是不平衡組織，一定時間后會發(fā)生變形，這也是焊縫上存在的缺陷之一。

從圖6c 中可見，焊縫上的裂紋為典型的穿晶裂紋。在晶界圖中還用不同顏色的線條表示出了相鄰晶界的取向差分布，綠色和紅色線條代表的是小角度晶界LAGB(＜10°)，而藍色的線條則代表大角度晶界HAGB(＞10°)。從圖6c 中可見，焊縫處的HAGB 與LGAB 占比相差不大。圖6d 為擴流器焊縫處的IPF圖，從圖6d 中可見，焊縫裂紋附近較大的晶粒多為柱狀晶粒，相對較小的晶粒則多為等軸晶粒。從顏色分布來看，焊縫處各種顏色的晶粒交錯，沒有顯著的統(tǒng)一顏色，說明擴流器焊縫處的晶體取向比較隨機，沒有明顯的擇優(yōu)取向。

圖7 為焊縫處晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計圖。從圖7a中可以看到，焊縫處晶粒尺寸分布不均，小于2 μm 的有效晶粒較少，而大于24 μm 的晶粒也比較少，平均晶粒尺寸為7.14 μm。從圖7b 中可以發(fā)現(xiàn)，小角度晶界占比57.5%左右，大角度晶界則占比42.5%。同時，通過圖7b 可以計算焊縫的平均幾何必要位錯密度ρGND。一般而言，ρGND與材料的強度和韌性正相關，可以用來評判不同位置處材料的強度和韌性。ρGND的計算方法如下[28]:

圖7 焊縫處晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計Fig.7 Statistical diagrams of grain size and misalignment angle at the weld seam

其中，θ為第i個晶體的取向差，μ為EBSD 測點的長度，b為伯格斯向量的模長。根據(jù)圖7b 中的數(shù)據(jù)就可以計算焊縫裂紋周圍材料的ρGND。經計算，焊縫裂紋周圍平均的ρGND為8.98×1017m-2。

2.2.2 熱影響區(qū)

圖8 為熱影響區(qū)的EBSD 檢測結果。從圖8a 可見，除幾個點蝕坑附近外，熱影響區(qū)的顏色偏亮沒有明顯的缺陷。從圖8b 可以發(fā)現(xiàn)，在熱影響區(qū)也存在少量的殘余奧氏體(γ-Fe)，但數(shù)量比焊縫處要少得多，且主要集中在點蝕坑附近。這說明在焊接時，熱影響區(qū)的冷卻速度相對緩慢，只有少量奧氏體殘余。從圖8c 可以觀察到，熱影響區(qū)存在個別比較大的柱狀晶粒，晶粒尺寸接近40 μm。從圖8d 中可以觀察到，熱影響區(qū)的晶體也基本沒有明顯的擇優(yōu)取向趨勢，但部分區(qū)域的大尺寸晶粒取向比較接近。

圖8 熱影響區(qū)的EBSD 檢測結果Fig.8 EBSD test results in heat-affected zone

圖9 是熱影響區(qū)的晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計。從圖9a 可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)同樣是小尺寸晶粒偏多，小于2 μm 的有效晶粒比較少，但在熱影響區(qū)存在一些大于40 μm 的大尺寸晶粒，平均晶粒尺寸為14.36 μm。這是因為在焊接時，熱影響區(qū)的溫度比較高且冷卻緩慢，較長時間的高溫使得部分細小晶粒在逐漸長大。從圖9b中可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)的小角度晶界占比62%左右，大角度晶界的占比則有38%。根據(jù)圖9b 計算出的熱影響區(qū)的平均ρGND為3.05×1018m-2。

圖9 熱影響區(qū)的晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計Fig.9 Statistical diagrams of grain size and misalignment angle at heat-affected zone

2.2.3 基 體

圖10 為基體部位的EBSD 檢測結果。從圖10a 可見，基體總體顏色偏亮，僅有幾條較暗的條紋，這些條紋在熱影響區(qū)部分有少量點蝕坑形成，但基體部位幾乎沒有點蝕坑。從圖10b 可以發(fā)現(xiàn)，在基體部位幾乎沒有殘余奧氏體(γ-Fe)，熱影響區(qū)靠近基體部分的殘余奧氏體也比較少，殘余奧氏體主要集中在點蝕坑附近。從圖10c 可以看到，基體部位的晶粒尺寸要比熱影響區(qū)小，且基體部位的小角度晶界明顯比大角度晶界多。從圖10d 中可以發(fā)現(xiàn)，基體部位的晶體也沒有明顯的擇優(yōu)取向。

圖10 基體的EBSD 檢測結果Fig.10 EBSD detection results of the substrate

圖11 為基體的晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計。從圖11a可以發(fā)現(xiàn)，基體部位小尺寸晶粒比較多，大尺寸晶粒比較少，最大晶粒尺寸不超過25 μm，平均晶粒尺寸為6.56 μm。從圖11b 中可以發(fā)現(xiàn)，基體部位的小角度晶界占比63.4%，大角度晶界占比36.6%。根據(jù)圖11b 計算出基體部位平均ρGND為2.25×1018m-2。

圖11 基體的晶粒尺寸和取向差統(tǒng)計Fig.11 Statistical diagrams of grain size and misalignment angle of substrate

從對失效擴流器焊縫、熱影響區(qū)、基體3 個部分的EBSD 檢測結果中，可以總結出失效擴流器微觀結構上的一些特點:(1)由于焊接工藝等問題，在焊縫中有許多殘余奧氏體，這些殘余奧氏體會隨著時間逐步轉化發(fā)生變形，給焊縫造成初始缺陷。(2)組成擴流器的鋼材中，小角度晶界較多，大角度晶界較少，這對材料的止裂性能是不利的。大角度晶界可以有效抑制裂紋的擴展。而焊縫和熱影響區(qū)的大角度晶界相對較多，說明焊接其實在一定程度上提高了材料的止裂性能。(3)組成擴流器的鋼材中，小尺寸晶粒比較多，大尺寸晶粒比較少。熱影響區(qū)的平均晶粒尺寸最大。(4)從3 個位置的晶粒取向分布{111}、{110}、{001}面的極圖和IPF 圖可以發(fā)現(xiàn)，組成擴流器的鋼材本身就沒有織構，而焊接過程卻使熱影響區(qū)有了形成沿熱量傳播方向織構的趨勢。(5)從3 個位置的平均ρGND可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)的強度和韌性最高，其次是基體，焊縫則最低。

擴流器使用的材料為普通碳素合金鋼，具有中等的強度和韌性。但其并未形成有效的織構，且小角度晶界較多，止裂性能較差。焊接使得焊縫處金屬材料的大角度晶界數(shù)量得到了提高，但同時也增大了焊縫處的晶粒尺寸，且焊縫處也未能形成織構，所以焊縫處的強度和韌性是最低的。而熱影響區(qū)由于在高溫作用下的時間較長，其上的大角度晶界最多。雖然，熱影響區(qū)也形成了一些大尺寸晶粒，但其上同時還有織構形成的趨勢，所以最終的結果是熱影響的強度和韌性最高。大角度晶界雖然可以有效地抑制裂紋的擴展，但是其耐腐蝕的性能較差，所以焊縫和熱影響區(qū)的腐蝕程度明顯比基體更嚴重。

2.3 擴流器焊縫失效機理

從對失效擴流器焊縫的SEM 檢測中可以發(fā)現(xiàn)，焊縫表面存在許多的點蝕坑，有些點蝕坑甚至已經在焊縫金屬表面形成了較大的空洞。從對失效擴流器焊縫的EDS 檢測中可以發(fā)現(xiàn)，點蝕坑的元素組成中含有一定量的Cl 和H。擴流器是輸油泵的組成部分，輸油泵輸送的都是從油田采出、經過初步處理的商品原油。這些原油在采出的過程中經常需要用到壓裂、酸化等增產技術，使用這些技術及原油初步處理時都需要使用到一些化學助劑，而這些化學助劑中就含有大量的氯離子，很難將其處理干凈。結合這些特點，認為擴流器在使用過程中遭受到了嚴重的氯離子腐蝕。

從擴流器的EBSD 檢測結果中可以發(fā)現(xiàn)在焊接過程中，由于焊縫位置冷卻速度過快，焊縫上有許多的殘余奧氏體，容易給焊縫造成初始缺陷。結合EDS 和SEM 檢測結果還發(fā)現(xiàn)，焊縫存在夾渣現(xiàn)象，焊縫表面有較多的碳化物。同時，焊縫表面還有機械損傷的痕跡。

綜合以上分析，提出了一個物理模型(如圖12)用以解釋擴流器焊縫失效的機理。從圖12 可見，可以從以下4 個方面來解釋擴流器焊縫失效機理。

圖12 擴流器焊縫失效機理物理模型Fig.12 Physical model of failure mechanism of diffuser weld seam

(1)擴流器焊縫上的初始缺陷 如圖12a 所示，焊縫上存在許多的初始缺陷，這些初始缺陷包括焊縫表面的機械損傷(劃痕)、夾渣及殘余奧氏體。機械損傷產生于擴流器與轉子之間的接觸摩擦和高速流體的沖蝕，夾渣來源于焊接過程。殘余奧氏體則是因為焊縫處冷卻速度過快，導致奧氏體來不及轉化就殘留在馬氏體中。

(2)氯離子腐蝕 在工程實際石油開采的過程中，地層水含有酸化水等酸性物質，并且在石油開采后對其進行清潔處理時，處理液中也含有大量的氯離子，這些氯離子將一直跟隨油品輸送到達管線及擴流器表面。焊縫表面發(fā)生氯離子腐蝕的機理如圖12b 所示。從圖3b 和3h 中可以發(fā)現(xiàn)，在焊縫金屬表面覆蓋著碳化膜/氧化膜，而劃痕等機械損傷卻會使得這些氧化膜部分脫落，裸露出其中的金屬。氯離子的離子半徑比較小，擴散難以受到阻礙，當其運動到金屬表面時就會吸附在金屬表面。氯離子吸附在裸露的金屬表面后，使得這部分金屬的電位變低，導致裸露金屬與氧化膜/碳化膜之間形成原電池(如圖12b)。此原電池的電極反應如下[29]:

隨著上述反應的不斷進行，就會在金屬表面產生小而深的腐蝕坑。此原電池反應還會導致金屬表面產生金屬離子(如Fe2+)，這些離子在介質中會產生水解，水解反應如下[30]:

金屬離子水解后會產生H+，由于這些H+擴散不到坑外，導致坑內的pH 值不斷降低，進一步加速金屬腐蝕。

焊縫中的夾渣也會與周圍金屬形成原電池。焊縫中的夾渣是在焊接過程中，藥皮掉落到焊縫上后在高溫下形成的。藥皮中含有K、Na、Mn 等活動性非常強的金屬元素的合金，這些合金與焊縫表面的碳化膜/氧化膜形成原電池后，發(fā)生與式(2)～(4)類似的反應形成點蝕坑。

(3)點蝕坑的長大及裂紋形成 如圖12c 所示，隨著擴流器使用時間的延長，擴流器上由氯離子腐蝕產生的點蝕坑也不斷地長大加深，最終在焊縫表面形成許多的空洞。這些空洞的形狀大多不規(guī)則，而焊縫中本就存在一些殘余奧氏體。奧氏體屬于高溫相，在常溫下為不平衡組織。隨著時間的推移，這些空洞周圍的殘余奧氏體釋放殘余應力、發(fā)生變形，導致空洞周圍形成微裂紋。

(4)裂紋的擴展 擴流器在使用過程中長期受到流體的沖擊，在焊縫處存在隨時間不斷變化的交變應力。如圖12d 所示，空洞周圍形成的微裂紋會在交變應力作用下不斷擴展，同時充滿裂紋的腐蝕介質又會進一步地加速裂紋的擴展速率。裂紋在這些因素的共同作用下迅速擴展，最終導致擴流器失效。

總結擴流器失效的機理，可以為改善擴流器性能、延長擴流器使用壽命提出一些建議，比如添加防腐鍍層、施加陰極保護及使用耐蝕合金等。其中，使用耐蝕合金時，要求其焊接后的焊縫也要具有良好的耐腐蝕性。因為本研究的結果表明，失效擴流器僅焊縫和熱影響區(qū)容易受到腐蝕，基體部分腐蝕受到的腐蝕相對較小。要提高擴流器的使用壽命，最重要的就是優(yōu)化擴流器焊縫的焊接技術，避免擴流器因冷卻過快而產生大量的殘余奧氏體，同時也要極力避免焊縫及熱影響區(qū)產生過多的大尺寸晶粒和大角度晶界。

3 結 論

本研究通過對已失效的輸油泵擴流器焊縫進行EDS、SEM 和EBSD 檢測，探究了失效焊縫的表面形貌、織構、晶粒大小、晶界取向等微觀結構特征，揭示了輸油泵擴流器焊縫的失效機理，最后得出了以下結論:

(1)夾渣等初始缺陷、劃痕等機械損傷以及過多的大角度晶界使擴流器焊縫和熱影響區(qū)遭受到了嚴重的氯離子腐蝕，導致擴流器焊縫表面產生大量的點蝕坑、空洞；

(2)擴流器熱影響區(qū)的強度和韌性最高，基體次之，焊縫的強度和韌性最低；

(3)殘余奧氏體在擴流器焊縫處的點蝕坑周圍發(fā)生變形，釋放殘余應力導致點蝕坑周圍形成微裂紋；微裂紋在循環(huán)應力和腐蝕介質的共同作用下迅速擴展，最終導致擴流器焊縫失效；

(4)添加防腐鍍層、施加陰極保護、換用焊縫抗腐蝕性能良好的耐蝕合金以及優(yōu)化焊接工藝都可以改善擴流器的性能、延長擴流器的使用壽命。