1前言 鋼管表面均勻......



1　前言
鋼管表面均勻地涂上一層搪瓷，將大大提高耐腐蝕性能，延長使用壽命。但長距離油氣管線需要將許多管線焊接起來。經(jīng)過焊接以后，

接頭部位的噴瓷層將受到破壞。而且由于噴瓷過程中需采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，氮?dú)鈺c焊條、搪瓷和母材一起參與熱化學(xué)反應(yīng)，這樣，不僅使接頭成

為管線耐腐蝕最薄弱的環(huán)節(jié)，而且由于氮的介入，導(dǎo)致力學(xué)性能的下降。有關(guān)搪瓷與母材間的結(jié)合情況，涂層形貌受熱循環(huán)影響的變化情況，

已在本文的第一部分作了介紹。這里對涂層與基體形成的相及其形態(tài)，進(jìn)行了分析，并提出解決這一問題的措施。
2　實(shí)驗(yàn)材料與樣品制備
母材為φ158mm×6mm的Q235鋼管，鋼管端面開坡口，坡口角為60°。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將管高頻加熱到700～900℃，在內(nèi)外表面上噴以搪瓷釉

料粉末。高溫下粉末融化，在鋼管表面形成搪瓷層。釉料主要由Al2O3、SiO2 、MoO3、Na2O、B2O3及添加劑組成。
采用對接接頭，將噴好搪瓷的兩段管線對焊起來。用直流焊機(jī)，反極性接法。焊條為E4303×φ3.2，電流強(qiáng)度為110A，焊速約80mm/s。
從焊接前的管線上，以及焊后的熔合線、熱影響區(qū)附近，用鋼鋸將瓷層及基體一起鋸下，以便取TEM試樣。因?yàn)樘麓珊艽?，且容易從基體

脫落，取樣要非常小心。相比之下，熱影響區(qū)外附近脫瓷最嚴(yán)重，未經(jīng)焊接的管線次之，熱影響區(qū)脫瓷最少。將鋸好的試樣用細(xì)砂紙輕輕打磨

搪瓷表面，直到露出部分基體，再用線切割沿基體切出另一面，機(jī)械減薄后進(jìn)行離子減薄。離子轟擊方向幾乎與搪瓷表面平行。將制好的樣品

在H-800型TEM下進(jìn)行觀察。
3　試驗(yàn)結(jié)果與分析
圖1、2是管線焊接前搪瓷層和母材的TEM照片，圖3、4是管線焊接以后熱影響區(qū)搪瓷層和母材交界處的TEM照片。
管線焊接以前，瓷層為非晶態(tài)。其衍射斑呈規(guī)則的環(huán)狀（圖1）。這種狀態(tài)的搪瓷具有極強(qiáng)的耐腐蝕性能。但由于噴瓷過程是在高溫下進(jìn)

行的，用作保護(hù)氣體的氮能夠滲入鐵素體中，造成母材局部晶格畸變，位錯運(yùn)動在這里受阻，如圖2a所示。圖2b，c表示的是滲入氮以后晶格

發(fā)生畸變的α-Fe［100］晶帶。這一方面可能會降低材料的韌性，另一方面，由于搪瓷性脆，采用噴涂方式本身又容易產(chǎn)生搪瓷釉料粉末熔化

不完全，或產(chǎn)生氣孔等涂層缺陷，搪瓷容易從這些缺陷處脫落，而氮的滲入主要發(fā)生在瓷層與母材的交界面上，在這里形成微觀內(nèi)應(yīng)力。微觀

內(nèi)應(yīng)力的存在，進(jìn)一步增加了瓷層脫落的可能性。
噴瓷管線焊后接頭附近搪瓷的變化區(qū)域可分為三部分。
第一是焊縫區(qū)。涂層在這里被燒毀，涂層的耐腐蝕性能已不復(fù)存在。

圖 1　焊接前搪瓷層的TEM照片（散射環(huán)）
Fig.1　TEM（Scattering Ring） of enamel coating before welded

圖 2　焊接前氮滲入母材的TEM照　（a） TEM照片×30；（b）衍射斑；（c）標(biāo)定圖
Fig. 2　Nitrogen infiltrating in ferrite before welded
第二是熱影響區(qū)及其附近。經(jīng)過熱循環(huán)以后，瓷層得以重熔，原先存在的一些缺陷，如氣孔、未熔化的搪瓷粉末及內(nèi)應(yīng)力等多已消失，涂

層與基體的結(jié)合較焊接前要好，因此脫瓷程度較輕。但非晶態(tài)不穩(wěn)定，經(jīng)過焊接熱循環(huán)以后，熱影響區(qū)及其附近的涂層會轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。圖3a，
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4a所示的亞結(jié)構(gòu)其主要成分分別為鋁和硅，可標(biāo)定出分別為Al2O3和SiO2晶體。圖3b，c為Al2O3的［116］晶帶，圖4b，c為SiO2的［110］晶帶
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。晶態(tài)的Al2O3、SiO2是從非晶態(tài)的涂層晶化后轉(zhuǎn)化來的。盡管這些部位的瓷層從外觀來看保持了原來的形態(tài)，并且與母材有著良好的結(jié)合，

但實(shí)質(zhì)上已經(jīng)發(fā)生了本質(zhì)的變化。由非晶態(tài)到晶態(tài)，耐腐蝕性能大為降低。

焊接后HAZ形成的Al2O3晶體?。╝） TEM照片×50；（b）衍射斑；（c）標(biāo)定圖
Fig. 3　Crystal of Al2O3 formed in HAZ after welded
焊接后HAZ形成的晶體SiO2?。╝） TEM照片×50；（b）衍射斑；（c）標(biāo)定圖
Fig. 4　Crystal of SiO2 formed in HAZ after welded
第三是離熱影響區(qū)稍遠(yuǎn)的區(qū)域，經(jīng)過焊接熱循環(huán)以后，雖然瓷層仍保持非晶態(tài)，衍射斑同焊接前一樣，但由于沒有發(fā)生重熔，原先的缺陷

并未消失，相反，在熱應(yīng)力和滲氮所致的內(nèi)應(yīng)力作用下，裂紋大量增多，脫瓷嚴(yán)重，導(dǎo)致耐蝕性降低。
4　結(jié)論
（1）焊接前涂層為非晶態(tài)，但在噴瓷過程中有部分氮滲入鐵素體中，使材料脆性增加并降低瓷層與母材的結(jié)合強(qiáng)度。
(2）焊接后熱影響區(qū)內(nèi)涂層晶化，形成Al2O3、SiO2晶體，將導(dǎo)致耐蝕性降低。
5　建議
（1） 由于氮在高溫下會滲入母材，因此建議采用惰性氣體保護(hù)噴瓷過程。
（2）由于焊接后熱影響區(qū)內(nèi)涂層晶化，氮與母材也會發(fā)生反應(yīng)，因此建議在接頭附近采用管線接頭焊接內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)，其覆蓋面要包括離

熱影響區(qū)稍遠(yuǎn)、脫瓷嚴(yán)重的區(qū)域。