不銹鋼焊接海船錨鏈的腐蝕失效分析

1、材料斷裂理論與失效分析不銹鋼焊接海船錨鏈的腐蝕失效分析 專業(yè)： 材料工程（鍛壓） 類型： 應(yīng)用型 姓名： * 學(xué)號(hào)： 15S*不銹鋼焊接海船錨鏈的腐蝕失效分析引言錨鏈(cable)是連接錨和船體之間的鏈條，用來傳遞和緩沖船舶所受的外力。也能產(chǎn)生一部分的摩擦力。錨鏈由許多個(gè)鏈環(huán)銜接而成，大小以鏈徑約（毫米）表示。依據(jù)鏈環(huán)中間有無撐檔，分為有檔錨鍵和無檔錨鏈。錨鏈可用鍛造、鑄造和焊接等法制成。船用錨鏈由若干“節(jié)”（shackle）組成，每節(jié)長(zhǎng)25.027.5米，節(jié)與節(jié)之間用鏈環(huán)或卸扣相連。絞起錨后，錨鏈儲(chǔ)存在船首部的錨鏈艙內(nèi)。錨鏈的規(guī)格，依照船舶建造標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算肯定。1. 簡(jiǎn)述Cr-Ni 系不銹鋼的合

2、金化原理1、加入合金元素，提高鋼基體的電極電位，從而提高鋼的抗電化學(xué)腐蝕能力。一般鋼中加入Cr、Ni、Si多元素均能提高其電極電位。由于Ni較缺，Si的大量加入會(huì)使鋼變脆，因此，只有Cr才是顯著提高鋼基體電極電位常用的元素；2、加入合金元素使鋼(不銹鋼)的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合牢固的鈍化膜。從而提高鋼的耐化學(xué)腐蝕能力。如在鋼中加入Cr、Si、Al等合金元素，使鋼的表層形成致密的Cr2O3，SiO2，Al2O3等氧化膜，就可提高鋼(不銹鋼)的耐蝕性；3、加入合金元素使鋼(不銹鋼)在常溫時(shí)能以單相狀態(tài)存在，減少微電池?cái)?shù)目從而提高鋼的耐蝕性。如加入足夠數(shù)量的Cr或CrNi，使鋼在室

3、溫下獲得單相鐵素體或單相奧氏體。4、加入Mo、Cu等元素，提高抗腐蝕的能力。5、加入Ti，Nb等元素，消除Cr的晶間偏析，從而減輕了晶間腐蝕傾向。6、加入Mn、N等元素，代替部分Ni獲得單相奧氏體組織，同時(shí)能大大提高鉻不銹鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性。2. 錨鏈的結(jié)構(gòu)特征有哪些，簡(jiǎn)要分析錨鏈?zhǔn)沁B接錨和船體之間的鏈條，用來傳遞和緩沖船舶所受的外力。也能產(chǎn)生一部分的摩擦力。錨鏈可用鍛造、鑄造和焊接等法制成。船用錨鏈由若干“節(jié)”組成，每節(jié)長(zhǎng)25.027.5米，節(jié)與節(jié)之間用鏈環(huán)或卸扣相連。絞起錨后，錨鏈儲(chǔ)存在船首部的錨鏈艙內(nèi)。船用錨鏈?zhǔn)沁B接于錨和船體之間的鏈條，用于傳遞和緩沖船舶所受的外力。2.1 船用錨鏈的

4、分類與特點(diǎn)船用錨鏈可按多種方法進(jìn)行分類，但主要有以下幾種：1）按鏈環(huán)結(jié)構(gòu)分類：船用錨鏈按鏈環(huán)結(jié)構(gòu)的不同，可分為有檔鏈和無檔鏈兩種。在尺寸和材質(zhì)相同的情況下，有檔鏈的強(qiáng)度比無檔鏈大20%左右，且具有變形小、堆放時(shí)不易扭纏等優(yōu)點(diǎn)，故海船廣泛采用，而無檔鏈一般僅用于小船。2）按鏈環(huán)的制造方法分類：船用錨鏈按鏈環(huán)制造方法的不同，可分為焊接船用錨鏈、鑄鋼船用錨鏈和鍛造船用錨鏈三種。焊接船用錨鏈由CCS認(rèn)可的鋼廠使用圓鋼材料加工焊接而成。具有工藝先進(jìn)、簡(jiǎn)單，制造成本低，質(zhì)量超過其他種類船用錨鏈的特點(diǎn)，是海船廣泛使用的船用錨鏈。鑄鋼船用錨鏈由CCS認(rèn)可的鋼廠用合格的鋼水澆鑄而成。具有強(qiáng)度較高、剛性好、撐檔不

5、會(huì)松動(dòng)和使用壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是制造成本較高、船用錨鏈耐沖擊負(fù)荷差。鍛造船用錨鏈因具有工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，故商船已基本不用。3）按船用錨鏈的公稱抗拉強(qiáng)度分類：船用錨鏈根據(jù)其公稱抗拉強(qiáng)度大小的不同，分為AM1、AM2和AM3三個(gè)等級(jí)。其中AM1級(jí)鏈強(qiáng)度最小，AM3級(jí)鏈強(qiáng)度最大。4）按船用錨鏈鏈環(huán)所起作用分類：船用錨鏈鏈環(huán)按其所起作用的不同，分為普通鏈環(huán)、連接鏈環(huán)、加大鏈環(huán)、轉(zhuǎn)環(huán)、末端卸扣和末端鏈環(huán)等幾種。2.2 船用錨鏈強(qiáng)度的衡量標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度1）船用錨鏈強(qiáng)度的衡量標(biāo)準(zhǔn)：鏈環(huán)的大小以鏈環(huán)的直徑d表示，用來衡量船用錨鏈強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)鏈環(huán)是普通鏈環(huán)，其直徑大小是衡量船用錨鏈強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。若有檔普通鏈

6、環(huán)的截面直徑為d，則有檔普通鏈環(huán)本身的長(zhǎng)度應(yīng)是其截面直徑d的6倍，寬度是d的3.6倍；加大鏈環(huán)的長(zhǎng)為6.6d，寬為4d；散合式連接鏈環(huán)的長(zhǎng)為8d，寬為4d；肯特卸扣（連接鏈環(huán)）的長(zhǎng)為6d，寬為4.2d；末端鏈環(huán)的長(zhǎng)為7d，寬為4d；轉(zhuǎn)環(huán)的總長(zhǎng)為9.7d，寬為4.7d。2）標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度：船用錨鏈的長(zhǎng)度以“節(jié)”為單位，CCS規(guī)范規(guī)定每節(jié)船用錨鏈的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為27.5m，且每節(jié)船用錨鏈的鏈環(huán)數(shù)應(yīng)為奇數(shù)。3. 服役環(huán)境的要素有哪些？船錨的作用主要就是固定、穩(wěn)定船。從以下幾個(gè)方面來說。1、錨鏈要起作用，最基本的條件是在海底等鉤住東西。如果錨鏈不夠長(zhǎng)，錨不會(huì)起作用。 如果海底是平坦的，或者是錨鉤住的東西不是固定

7、的，或者是鉤的不太牢，如果是風(fēng)平浪靜還可以，一但海浪過大，造成錨鉤不住東西，會(huì)使錨失去其作用，這叫“走錨”，船在拋錨期間，出現(xiàn)走錨，是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)榇趻佸^的時(shí)候一般主機(jī)都停了，如果立即開船，需要時(shí)間，沒有動(dòng)力的船四處漂是非常危險(xiǎn)的。所以，才有了錨地這個(gè)概念，錨地，言外之意，海底下比較粗糙，另外，要能避風(fēng)。2、錨鏈的重量對(duì)于船來說是可以忽略不計(jì)的，那點(diǎn)摩擦力，不會(huì)起多大作用的。一般來說，拋錨時(shí)的船，錨鏈都是筆直的，這是基本可以忽略摩擦力的作用。如果你在海邊，會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多的小漁船，她們的錨鏈?zhǔn)谴掷K子。3、在船上面看，錨鏈?zhǔn)侵钡?，但是在水下有一段是和海床接近于平行（其?shí)是貼著海底的）的。錨提供抓

8、力，而后通過錨鏈傳遞給船舶借此抵抗海流、風(fēng)浪的外載荷對(duì)于定位的影響，之所以有一段是貼著海底的是要考慮到受力的影響。想想看，一個(gè)錨，錨鏈直挺挺的一拉就容易走錨。而有一段貼著海底，可以提供一個(gè)裕度在一定范圍內(nèi)是可以的。因此，綜合考慮錨鏈的服役主要可能受以下影響：1、在拋錨時(shí)，錨鏈要浸泡在海水中，所以首先是海水腐蝕；2、當(dāng)起錨時(shí)，錨鏈又被拉出水面，裸露在空氣中，會(huì)發(fā)生大氣腐蝕；3、沿海工廠如核電廠等，會(huì)將工業(yè)水排入海水中。所以錨鏈解除的環(huán)境也包括工業(yè)介質(zhì)。4. 有可能發(fā)生的失效類型是什么？1、海水腐蝕：沉積物下的局部腐蝕：這是海洋腐蝕的主要形態(tài)。局部沉積物造成金屬表面不同部位氧濃度的嚴(yán)重差異，從而形

9、成氧濃差電池；此時(shí)O的遷移、Cl-的遷移均會(huì)進(jìn)一步加劇閉塞區(qū)域的腐蝕速度；此外陽(yáng)極溶解區(qū)周圍OH-和Fe2+匯聚，二次腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2大量形成，堆積有勁一步惡化氧濃度的不均勻現(xiàn)象，閉塞去的閉塞程度進(jìn)一步加?。唬?）接觸腐蝕-電偶腐蝕：海水的電導(dǎo)率較高，腐蝕電阻較小，因此異種金屬一旦相連并暴漏于海水就容易形成腐蝕電池；（2）縫隙腐蝕：凡需要充足氧氣不斷彌合氧化膜破裂從而保持鈍化態(tài)的金屬，在海水中均對(duì)縫隙腐蝕敏感，不銹鋼和鋁合金最為典型；（3）疲勞腐蝕：海洋工程結(jié)構(gòu)除腐蝕之外還承受海浪、風(fēng)暴、地震等載荷，因此海洋結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞經(jīng)常發(fā)生，是影響結(jié)構(gòu)安全的主要因素；（4）生物腐蝕：構(gòu)件在海洋中數(shù)

10、小時(shí)內(nèi)表面形成細(xì)菌膜，35天形成微型生物粘膜，此后大型附著生物的幼體出現(xiàn)、長(zhǎng)大，最終形成附著生物群體。生物的附著、生長(zhǎng)、死亡過程中產(chǎn)生的物質(zhì)均會(huì)直接或間接地影響金屬的腐蝕；（5）點(diǎn)蝕：當(dāng)滿足材料、介質(zhì)和電化學(xué)三個(gè)方面的條件時(shí)，發(fā)生點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕多發(fā)生在表面容易鈍化的金屬材料上；不銹鋼對(duì)鹵素離子特別敏感，作用順序是：Cl->Br->I-。這些陰離子在金屬表面不均勻吸附易導(dǎo)致鈍化膜的不均勻破壞；點(diǎn)蝕發(fā)生在特臨界電位。（6）應(yīng)力腐蝕：不銹鋼在氯化物水溶液、海水、海洋大氣的環(huán)境中，當(dāng)有足夠大的拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。2、大氣腐蝕：當(dāng)錨鏈拖出水面時(shí)，海周圍的空氣非常潮濕，錨鏈?zhǔn)艿匠钡拇髿飧g：

11、水汽存在但濃度低于臨界濕度，此時(shí)金屬表面有很稀薄的水膜存在，這層水膜是由于毛細(xì)管作用，吸附作用和化學(xué)凝聚效應(yīng)而在金屬表面上形成的。5. 如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定失效的類型？1、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查保護(hù)腐蝕失效現(xiàn)場(chǎng)的一切證據(jù)，是保證腐蝕失效分析得以順利有效地進(jìn)行的先決條件。要對(duì)腐蝕失效現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行取證，并聽取相關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)人、操作者等介紹情況，了解服役條件，收集相關(guān)的背景信息(如介質(zhì)種類，溫度，壓力以及設(shè)備或管線的材質(zhì)等，并且收取適量的腐蝕產(chǎn)物)。在觀察和記錄時(shí)可用攝影、錄像、錄音和繪圖及文字描述等方式進(jìn)行。2、實(shí)驗(yàn)室分析只有在極少數(shù)的情況下，通過現(xiàn)場(chǎng)和背景材料的分析能得出腐蝕失效的原因。大多數(shù)失效案例都需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取證和

12、背景材料的綜合分析結(jié)果來進(jìn)一步制定實(shí)驗(yàn)室的腐蝕失效分析計(jì)劃，確定進(jìn)一步腐蝕失效分析試驗(yàn)的目的、內(nèi)容、方法和實(shí)施方式。失效部件和殘留物上具有說服力的物證是十分有限的，因此試驗(yàn)前，須對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目和順序、取樣部位、取樣方法及試樣數(shù)量等均應(yīng)全面考慮，合理地確定切取試樣的位置、尺寸、數(shù)量和取樣方法。通常采用的分析手段有下列各項(xiàng)：(1)宏觀觀察：主要是憑借肉眼或其他簡(jiǎn)單儀器，檢查腐蝕失效部件表面是否光滑、有無裂痕、有無腐蝕和腐蝕產(chǎn)物，記錄其大小、顏色形態(tài)和分布情況等。這種方法簡(jiǎn)便、直觀，可以簡(jiǎn)單確定腐蝕的類型。對(duì)于肉眼不能直接看到的設(shè)備或管道內(nèi)部表面，可采用內(nèi)窺鏡技術(shù)或者局部破壞等方式加以檢查。(2)微觀組

13、織分析：主要是用金相顯微鏡、電子顯微鏡觀察腐蝕失效部件的顯微組織，分析組織對(duì)性能的影響，檢查鑄、鍛、焊和熱處理等工藝是否恰當(dāng)，從而由材料的內(nèi)在因素分析導(dǎo)致發(fā)生腐蝕失效的原因。(3)化學(xué)成分分析：主要是采用光譜法等測(cè)定腐蝕部件的材料是否符合技術(shù)要求，有無用錯(cuò)材料或出現(xiàn)成分偏差，必要時(shí)可進(jìn)行微量元素分析或微區(qū)成分分析。(4)腐蝕形貌觀察：腐蝕形貌真實(shí)地反映了材料被腐蝕的全過程，通過對(duì)材料腐蝕表面形貌的觀察，可以進(jìn)一步詳細(xì)了解腐蝕過程，推測(cè)材料表面腐蝕特征的形成過程。因此對(duì)于腐蝕失效零部件，腐蝕形貌分析是最重要的一環(huán)。通過腐蝕形貌分析，不僅可以得到有關(guān)零部件使用條件和腐蝕失效特點(diǎn)的信息，還可以了解腐

14、蝕失效點(diǎn)附近的性質(zhì)和狀況，確定腐蝕的性質(zhì)和形式，從而找出腐蝕失效的主要原因。腐蝕形貌分析先用肉眼或低倍實(shí)體顯微鏡和立體顯微鏡從各個(gè)角度來觀察腐蝕表面的特征，并利用其中所帶的網(wǎng)格粗略估計(jì)腐蝕表面蝕點(diǎn)或蝕坑等的大小，然后用電子顯微鏡(特別是掃描電鏡)對(duì)有代表性的部位進(jìn)行深入觀察，以了解腐蝕表面的微觀特征，同時(shí)可以利用電鏡附帶的X射線能譜儀或譜分析(EDX)功能對(duì)材料表面進(jìn)行微區(qū)微量元素定性和定量分析，并進(jìn)行元素點(diǎn)分布和面分布分析。(5)腐蝕產(chǎn)物分析：表面形貌觀察還要配合相應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果，才能更有效地分析出材料失效的原因。對(duì)于腐蝕產(chǎn)物的分析，可以采用化學(xué)灼燒法、X 射線衍射儀或俄歇電子能譜(A

15、ES)及光電子能譜(XPS)進(jìn)行元素或化合物分析。(6)介質(zhì)分析：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的失效零部件的環(huán)境介質(zhì)(如水樣或油樣)進(jìn)行化學(xué)分析。(7)其他檢測(cè)項(xiàng)目：在必要時(shí)可以進(jìn)行某些項(xiàng)目的力學(xué)性能試驗(yàn)，包括材料的硬度試驗(yàn)以及拉伸或彎曲試驗(yàn)，以校驗(yàn)該零部件的力學(xué)性能是否符合技術(shù)要求。(8)模擬試驗(yàn)：重大的腐蝕失效分析項(xiàng)目，在初步確定失效原因后，還應(yīng)及時(shí)進(jìn)行重現(xiàn)性試驗(yàn)(模擬試驗(yàn))，以驗(yàn)證初步結(jié)論的可靠性。利用介質(zhì)分析和材料化學(xué)成分分析的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置成分相同的腐蝕介質(zhì)，并選用和腐蝕失效部件相同的材質(zhì)，進(jìn)行相同的熱處理，然后模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境(溫度、壓力)進(jìn)行模擬腐蝕試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證腐蝕形成過程和腐蝕機(jī)理。還可以

16、利用安裝在重點(diǎn)腐蝕設(shè)備上的在線旁路試驗(yàn)釜對(duì)裝置的腐蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)(監(jiān)測(cè)時(shí)間約為3至6個(gè)月)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可以排除裝置物料波動(dòng)等短時(shí)期影響，通過選用不同材質(zhì)的試片，較為真實(shí)地反映裝置的實(shí)際腐蝕狀況。若該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中某部位發(fā)生了腐蝕失效，可以借助長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更好地進(jìn)行腐蝕失效分析，并為后期選材提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。完成上述試驗(yàn)后，把現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的資料及各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，搞清失效的過程，確定失效的原因。在大多數(shù)情況下，失效原因可能有多種，應(yīng)努力分清主要原因和次要原因。如某零部件存在兩個(gè)以上的失效類型時(shí)，應(yīng)分析和找出主要的腐蝕失效類型及其主要的失效抗力的表征參量。因此推測(cè)船錨可能發(fā)生的腐蝕情況為：1、點(diǎn)

17、蝕：（1）點(diǎn)蝕蝕孔很小，形核時(shí)一般為20-30um，肉眼難于察覺，長(zhǎng)大到30um之后金屬表面才出現(xiàn)宏觀可見的蝕孔；（2）蝕孔的深度往往大于孔徑，蝕孔通常沿重力或橫向發(fā)展，多在朝上的表面出現(xiàn)；（3）點(diǎn)蝕只出現(xiàn)在局部區(qū)域，分部密度因例而異；（4）點(diǎn)蝕伴隨有輕微/中度全面腐蝕時(shí)，蝕坑往往被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，需要去除表面腐蝕產(chǎn)物才能觀察到點(diǎn)蝕坑。2、縫隙腐蝕：（1）能使縫隙內(nèi)介質(zhì)停滯的微小縫隙，寬度范圍一般為：0.0250.1mm，寬度超過0.1mm時(shí)不會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕；（2）可發(fā)生在所有金屬和合金上，特別容易發(fā)生在靠鈍化耐蝕的金屬材料表面。3、應(yīng)力腐蝕：（1）宏觀特征：無明顯的塑性變形區(qū)，裂紋均發(fā)生于表面，具有明顯的局部性，與應(yīng)力狀況密切相關(guān)；應(yīng)力腐蝕裂紋源于表面、基本與拉應(yīng)力方向垂直，并呈不連續(xù)狀；裂紋具有分叉較多、局部較尖銳的特征；應(yīng)力腐蝕斷口的微觀形貌可為巖石狀，巖石表面有腐蝕痕跡。嚴(yán)重時(shí)整個(gè)都為腐蝕產(chǎn)物