喷瓷管线接头焊后涂层与基体的界面研究

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1　前言
　　 钢管表面均匀地涂上一层搪瓷，将大大提高耐腐蚀性能，延长使用寿命。但长距离油气管线需要将许多管线焊接起来。经过焊接以后，接头部位的喷瓷层将受到破坏。而且由于喷瓷过程中需采用氮气保护，氮气会与焊条、搪瓷和母材一起参与热化学反应，这样，不仅使接头成为管线耐腐蚀最薄弱的环节，而且由于氮的介入，导致力学性能的下降。有关搪瓷与母材间的结合情况，涂层形貌受热循环影响的变化情况，已在本文的第一部分作了介绍。这里对涂层与基体形成的相及其形态，进行了分析，并提出解决这一问题的措施。

2　实验材料与样品制备
　　母材为φ158mm×6mm的Q235钢管，钢管端面开坡口，坡口角为60°。在氮气保护下将管高频加热到700～900℃，在内外表面上喷以搪瓷釉料粉末。高温下粉末融化，在钢管表面形成搪瓷层。釉料主要由Al₂O₃、SiO₂ 、MoO₃、Na₂O、B₂O₃及添加剂组成。
　　采用对接接头，将喷好搪瓷的两段管线对焊起来。用直流焊机，反极性接法。焊条为E4303×?φ3.2，电流强度为110A，焊速约80mm/s。
　　从焊接前的管线上，以及焊后的熔合线、热影响区附近，用钢锯将瓷层及基体一起锯下，以便取TEM试样。因为搪瓷很脆，且容易从基体脱落，取样要非常小心。相比之下，热影响区外附近脱瓷最严重，未经焊接的管线次之，热影响区脱瓷最少。将锯好的试样用细砂纸轻轻打磨搪瓷表面，直到露出部分基体，再用线切割沿基体切出另一面，机械减薄后进行离子减薄。离子轰击方向几乎与搪瓷表面平行。将制好的样品在H-800型TEM下进行观察。

3　试验结果与分析
　　图1、2是管线焊接前搪瓷层和母材的TEM照片，图3、4是管线焊接以后热影响区搪瓷层和母材交界处的TEM照片。
　　管线焊接以前，瓷层为非晶态。其衍射斑呈规则的环状（图1）。这种状态的搪瓷具有极强的耐腐蚀性能。但由于喷瓷过程是在高温下进行的，用作保护气体的氮能够渗入铁素体中，造成母材局部晶格畸变，位错运动在这里受阻，如图2a所示。图2b，c表示的是渗入氮以后晶格发生畸变的α-Fe［100］晶带。这一方面可能会降低材料的韧性，另一方面，由于搪瓷性脆，采用喷涂方式本身又容易产生搪瓷釉料粉末熔化不完全，或产生气孔等涂层缺陷，搪瓷容易从这些缺陷处脱落，而氮的渗入主要发生在瓷层与母材的交界面上，在这里形成微观内应力。微观内应力的存在，进一步增加了瓷层脱落的可能性。
　　喷瓷管线焊后接头附近搪瓷的变化区域可分为三部分。
　　第一是焊缝区。涂层在这里被烧毁，涂层的耐腐蚀性能已不复存在。

图 1　焊接前搪瓷层的TEM照片（散射环）
Fig.1　TEM（Scattering Ring） of enamel coating before welded

图 2　焊接前氮渗入母材的TEM照　（a） TEM照片×30；（b）衍射斑；（c）标定图
Fig. 2　Nitrogen infiltrating in ferrite before welded

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　　第二是热影响区及其附近。经过热循环以后，瓷层得以重熔，原先存在的一些缺陷，如气孔、未熔化的搪瓷粉末及内应力等多已消失，涂层与基体的结合较焊接前要好，因此脱瓷程度较轻。但非晶态不稳定，经过焊接热循环以后，热影响区及其附近的涂层会转变为晶态。图3a，4a所示的亚结构其主要成分分别为铝和硅，可标定出分别为Al₂O₃和SiO₂晶体。图3b，c为Al₂O₃的［116］晶带，图4b，c为SiO₂的［110］晶带。晶态的Al₂O₃、SiO₂是从非晶态的涂层晶化后转化来的。尽管这些部位的瓷层从外观来看保持了原来的形态，并且与母材有着良好的结合，但实质上已经发生了本质的变化。由非晶态到晶态，耐腐蚀性能大为降低。

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图 3　焊接后HAZ形成的Al₂O₃晶体　（a） TEM照片×50；（b）衍射斑；（c）标定图
Fig. 3　Crystal of Al₂O₃ formed in HAZ after welded

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图 4　焊接后HAZ形成的晶体SiO₂　（a） TEM照片×50；（b）衍射斑；（c）标定图
Fig. 4　Crystal of SiO₂ formed in HAZ after welded

　　第三是离热影响区稍远的区域，经过焊接热循环以后，虽然瓷层仍保持非晶态，衍射斑同焊接前一样，但由于没有发生重熔，原先的缺陷并未消失，相反，在热应力和渗氮所致的内应力作用下，裂纹大量增多，脱瓷严重，导致耐蚀性降低。

4　结论
　　（1）焊接前涂层为非晶态，但在喷瓷过程中有部分氮渗入铁素体中，使材料脆性增加并降低瓷层与母材的结合强度。
　　(2）焊接后热影响区内涂层晶化，形成Al₂O₃、SiO₂晶体，将导致耐蚀性降低。

5　建议
　　（1） 由于氮在高温下会渗入母材，因此建议采用惰性气体保护喷瓷过程。
　　（2）由于焊接后热影响区内涂层晶化，氮与母材也会发生反应，因此建议在接头附近采用管线接头焊接内补口技术，其覆盖面要包括离热影响区稍远、脱瓷严重的区域。