焊接結(jié)構(gòu)的應力腐蝕破壞

第4章

焊接結(jié)構(gòu)的應力腐蝕破壞

1本章內(nèi)容及重點：

4.1應力腐蝕破壞概述

4.2應力腐蝕斷裂的過程及斷口特征★

4.3斷裂力學在結(jié)構(gòu)抗應力腐蝕中的應用

4.4防止焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應力腐蝕的措施★

4.4.1正確選材

4.4.2合理的結(jié)構(gòu)設計

4.4.3消除和調(diào)節(jié)殘余應力

4.4.4控制電位——陰極和陽極保護

4.4.5用鍍層或涂層隔離環(huán)境

4.4.6控制和改善環(huán)境24.1應力腐蝕破壞概述4.1.1應力腐蝕及應力腐蝕破壞應力腐蝕破壞簡寫為SCC(StressCorrosionCracking)，又簡稱為應力腐蝕，它是指材料或結(jié)構(gòu)在腐蝕介質(zhì)和靜拉應力共同作用下引起的斷裂。應力腐蝕破壞是一個自發(fā)的過程，只要把金屬材料置于特定的腐蝕介質(zhì)中，同時承受一定的應力，就可能產(chǎn)生應力腐蝕破壞。它往往在遠低于材料屈服點的低應力下和即使是很微弱的腐蝕環(huán)境中以裂紋的形式出現(xiàn)，是一種低應力下的脆性破壞，危害極大。應力腐蝕破壞發(fā)生的特定條件：

(1)拉應力。這種拉應力可以是外加載荷引起的，也可以是殘余應力，例如:焊接殘余應力、裝配應力、熱應力等。在一般情況下，發(fā)生應力腐蝕時的拉應力都很低，如果沒有腐蝕介質(zhì)的共同作用，該構(gòu)件可以在該應力水平下長期工作而不發(fā)生斷裂。

(2)腐蝕介質(zhì)。這種腐蝕介質(zhì)一般都很弱，如果沒有拉應力同時作用，材料或構(gòu)件在這種介質(zhì)下的腐蝕速度很慢。3

產(chǎn)生應力腐蝕的介質(zhì)一般都是特定的。即：每種材料只對某些介質(zhì)敏感，而這些介質(zhì)對其他材料可能沒有明顯作用。例如：黃銅在氨氣中，不銹鋼在具有氯離子的腐蝕介質(zhì)中都容易發(fā)生應力腐蝕。反過來則不敏感。表4-l列出工業(yè)上常用金屬材料相應的應力腐蝕敏感介質(zhì)。4圖4-l應力腐蝕產(chǎn)生條件示意圖

(3)一般只有合金才會產(chǎn)生應力腐蝕，純金屬不會發(fā)生。

合金也只有在拉應力和特定的腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下才會發(fā)生應力腐蝕破壞。圖4-1為應力腐蝕產(chǎn)生條件示意圖。5

1．焊接結(jié)構(gòu)的應力腐蝕由于焊接過程中的不均勻加熱等因素，使得焊接結(jié)構(gòu)存在殘余應力，其拉伸殘余應力和腐蝕介質(zhì)共同作用，就可導致其產(chǎn)生應力腐蝕破壞。

鋼制壓力容器和其他焊接結(jié)構(gòu)，由應力腐蝕導致的破壞現(xiàn)象相當普遍，造成的后果也很嚴重。而由焊接殘余應力引起的應力腐蝕破壞事故占絕大多數(shù)，可達80％左右。并且絕大多數(shù)破壞是焊接熱影響區(qū)中。另外，弧坑、打弧及電弧擦傷等部位發(fā)生在焊縫附近，特別是都會誘發(fā)應力腐蝕開裂?，F(xiàn)場組裝焊縫、未經(jīng)消除應力處理的修補焊縫也是發(fā)生應力腐蝕開裂最嚴重的區(qū)域。顯然，焊接殘余應力和組裝時的拘束應力提供應力腐蝕開裂的應力條件，而焊接缺陷又助長它的發(fā)生。4.1.2焊接結(jié)構(gòu)的應力腐蝕破壞

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2．焊接結(jié)構(gòu)的應力腐蝕破壞事例

應力腐蝕破壞是危害最大的腐蝕形態(tài)之一，它是一種災難性腐蝕。因為它是一種事先不易察覺的脆性斷裂，即它使金屬結(jié)構(gòu)等突然破壞，會引起各種不幸事故，如爆炸、火災、環(huán)境污染等。

據(jù)統(tǒng)計：美、英原子能容器及系統(tǒng)配管破壞事故1／3以上是由應力腐蝕引起的。德國一家大化工廠1968～1972年間，在全部設備的腐蝕破壞事故中，應力腐蝕破壞超過總數(shù)的1／4。日本1965～1975年間化工設備所發(fā)生的破壞事故中有近半數(shù)屬于應力腐蝕破壞。我國的各類球罐，從1975～1979年所發(fā)生的20起球罐破壞事故中，有40％是由應力腐蝕引起的。

下面是幾個典型事例。

7應力腐蝕的典型事例

美國西弗吉尼亞州和俄亥俄州之間的一座橋梁，1967年12月突然塌陷，當時正在過橋的車輛連同行人墜入河中，死亡46人。事后由專家檢查發(fā)現(xiàn)，鋼梁因應力腐蝕和腐蝕疲勞的共同作用，產(chǎn)生了裂紋而斷裂。引起應力腐蝕的環(huán)境是大氣中含有微量的SO2或H2S。美國輸氣管線和沙特阿拉伯油田的油井管線，分別于1965年3月和1977年9月，由于管道應力腐蝕破裂泄漏汽油，而發(fā)生大火，死亡多人，并造成巨大損失。1962年2月日本川崎工廠，一臺容積2000m3，材料HT80，板厚16.5mm的球罐，投產(chǎn)后僅20d就在環(huán)縫上產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。還有一臺500m3，采用HT70制造的球罐，僅用12d就由應力腐蝕引起破裂。它們都是在H2S介質(zhì)里引起的應力腐蝕。

我國北京某廠用8mm厚的Q345(16Mn)鋼板制作的一臺大型NaOH儲罐，使用僅32d就發(fā)生破裂，經(jīng)多次補焊，越補越裂，最后報廢。上海某化工廠用12mm厚的鍋爐鋼板制作的高位槽，使用僅2周，就在焊縫熱影響區(qū)部位破壞。南京某化肥廠的高壓熱交換器管束運轉(zhuǎn)40d就發(fā)現(xiàn)泄漏。天津某廠1000m3球罐也只使用2個月，就在焊縫附近發(fā)現(xiàn)多處裂紋。

可見，應力腐蝕和腐蝕疲勞破壞在石油化工容器、管道、橋梁、儲罐及其他焊接結(jié)構(gòu)，如海洋平臺、導管架、船舶、建工建筑物及核容器等上都會經(jīng)常發(fā)生。因此，應力腐蝕破壞應是我們高度重視的問題之一。84.2應力腐蝕斷裂的過程及斷口特征

4.2.1應力腐蝕斷裂的過程

應力腐蝕斷裂的過程也是一種裂紋成核、長大的過程。如果材料表面沒有預先存在的裂紋或其他缺陷，并被氧化膜覆蓋，則其斷裂過程如圖4-2。首先，金屬材料在拉應力及腐蝕介質(zhì)的共同作用下，表面的氧化膜局部受到破壞，即氧化膜局部穿透，然后在腐蝕介質(zhì)的繼續(xù)作用下，氧化膜局部穿透處形成腐蝕坑孔，它本身也是一種形核及長大的過程；當應力腐蝕裂紋長大到足夠的長度且應力并未松弛時，將產(chǎn)生失穩(wěn)擴展，剩余的部分以很高的速度(約為1／3聲速)斷裂。環(huán)境介質(zhì)對于最終的快速斷裂并無影響。

圖4-2應力腐蝕斷裂過程示意圖

應力腐蝕斷裂過程分為四個階段：

1)氧化膜破裂。

2)形成腐蝕坑孔。

3)裂紋的形核及長大。

4)最終斷裂。94.2.2應力腐蝕的斷裂機理

影響應力腐蝕的因素眾多而復雜，至今還沒有得出一個完整的斷裂機理。下面介紹一種為多數(shù)人接受的應力腐蝕機理，即保護膜破壞機理：這是較早的一種應力腐蝕機理，認為產(chǎn)生應力腐蝕是電化學反應起控制作用。在很多情況下，應力腐蝕與氫脆是共存的。

10應力腐蝕裂紋的形成及擴展

當應力腐蝕敏感材料置于腐蝕介質(zhì)中(圖a)，首先在表面形成一層保護膜，它阻止腐蝕進行，即所謂“鈍化”(圖b)；由于拉應力和保護膜增厚帶來的附加應力使局部地區(qū)的保護膜破裂。破裂處基體金屬直接暴露在腐蝕介質(zhì)中，該處的電極電位比保護膜完整的部分低，而成為微電池的陽極，產(chǎn)生陽極溶解(圖c)；因為陽極小、陰極大，所以溶解速度很快，腐蝕到一定程度又形成新的保護膜(圖d)，但在拉應力的作用下又可能重新破壞，發(fā)生新的陽極溶解(圖e)。隨后又形成新的保護膜(圖f)。這種保護膜反復形成和破裂的過程，使某些局部地區(qū)腐蝕加深，最后形成孔洞?？锥吹拇嬖谟衷斐蓱?，更加速孔洞表面附近的塑性變形和保護膜破裂。這樣拉應力與腐蝕介質(zhì)共同作用形成應力腐蝕裂紋。裂紋不斷迅速向前擴展，最終導致金屬結(jié)構(gòu)的斷裂。圖4-3應力腐蝕裂紋的形成及擴展示意圖陽極114.2.3應力腐蝕斷裂的斷口特征

應力腐蝕斷裂的斷口特征比較復雜。它與材料的晶體結(jié)構(gòu)、力學性能、合金成分、熱處理、環(huán)境氣氛、溫度以及應力狀態(tài)有關(guān)。它大多呈現(xiàn)脆性斷口，有時也可呈延性斷口，破斷方式是晶間或穿晶的。

(1)應力腐蝕斷口的宏觀特征

應力腐蝕裂源常常發(fā)生于金屬材料表面，由于電化學作用在裂源處形成腐蝕坑。在一般情況下，應力腐蝕裂源經(jīng)常是多源的，這些裂紋在擴展的過程中發(fā)生合并，形成臺階或放射狀條紋等形貌。裂紋的擴展部分具有明顯的放射條紋，其放射方向為裂紋的擴展方向；匯聚處為裂紋源。

宏觀形貌呈現(xiàn)脆性斷口特征，裂紋以裂源為中心，呈弧形向外擴展，最終斷裂部分為撕裂或剪切唇斷裂形貌。由于腐蝕介質(zhì)的作用，在斷口上可以看到腐蝕特征或氧化現(xiàn)象，斷口表面具有一定的顏色，通常呈現(xiàn)黑色或灰黑色。而最終斷裂部分具有金屬光澤，很少看到腐蝕或氧化現(xiàn)象發(fā)生。12

(2)應力腐蝕斷口的微觀特征

應力腐蝕斷裂方式可能是穿晶或沿晶的，這由材料與腐蝕環(huán)境決定的。

碳鋼及低合金鋼的應力腐蝕斷口大部分是沿晶開裂的，裂紋沿著大致垂直于拉應力的晶界延伸。斷裂方式不僅與材料有關(guān)，而且還與介質(zhì)有關(guān)。碳鋼在NO3-介質(zhì)中呈現(xiàn)晶界斷裂，而在CN-介質(zhì)中的穿晶斷裂。在含Cl-的介質(zhì)中，鉻不銹鋼呈現(xiàn)沿晶開裂，奧氏體不銹鋼為穿晶斷裂。圖4-4泥紋狀斷口(鋁合金)微觀斷口可以觀察到塑性變形特征，即呈現(xiàn)韌窩花樣。另外，顯微斷口還具有腐蝕坑及二次裂紋等形貌。對于穿晶型的應力腐蝕斷口，往往具有“塊狀花樣”、“泥狀花樣”、“河流花樣”及“扇形花樣”等形貌特性。泥紋狀斷口如圖4-4。134.3斷裂力學在結(jié)構(gòu)抗應力腐蝕中的應用

測試材料的抗應力腐蝕性能，傳統(tǒng)上通常是用光滑試件在應力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，依據(jù)發(fā)生斷裂的延遲時間來判斷的。并用它研究合金元素、組織結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)等對材料應力腐蝕敏感性的影響。但是試驗表明：一些按傳統(tǒng)試驗方法得出的結(jié)論往往與實際情況發(fā)生矛盾，即用上述方法確定的對相應介質(zhì)來說是鈍化的材料，而用該材料制成的構(gòu)件在工作中有時卻發(fā)生應力腐蝕破壞。原因：由于用光滑試件測定的應力腐蝕斷裂時間t，包含有裂紋源的生核孕育階段90％和裂紋擴展階段10％兩部分。而實際構(gòu)件一般都不可避免不同程度地存在著裂紋或類似裂紋的缺陷。用傳統(tǒng)試驗方法確定的對應力腐蝕是免疫的材料，只能說明該材料在應力腐蝕條件下不產(chǎn)生裂紋源，但并不能反映出已有裂紋的構(gòu)件在應力腐蝕條件下裂紋是否擴展。因此，用常規(guī)的研究方法不能反映帶裂紋的金屬構(gòu)件抗應力腐蝕的性能。

斷裂力學方法在應力腐蝕中的應用大約是在20世紀60年代中期提出。該方法彌補使用光滑試件的傳統(tǒng)應力腐蝕試驗方法的不足，而且具有一系列優(yōu)點和工程實用價值。所以，該方法很快被廣泛地采用，并得到發(fā)展。

14斷裂力學與傳統(tǒng)的試驗方法相比，其優(yōu)點：

1)采用斷裂力學方法對構(gòu)件抗應力腐蝕性能的評定是測定材料在某種環(huán)境中能夠誘發(fā)應力腐蝕開裂的臨界應力強度因子KISCC及裂紋在介質(zhì)中的擴展速率da／dt等，可直接應用于構(gòu)件的選材和設計。

2)傳統(tǒng)方法使用光滑試件的應力腐蝕試驗周期很長，蝕坑的形成階段通常需要半年甚至更長時間。而用帶有尖銳裂紋的試件可節(jié)約近90％以上的時間。

3)由于人為制造的預裂紋具有整齊的幾何形狀，便于通過斷裂力學手段進行應力分析和精確計算，可得到定量的結(jié)果。

4)采用預制裂紋試件試驗，所得的結(jié)果是安全可靠的。

4.3.1斷裂力學在應力腐蝕中的評定指標

4.3.2KISCC和dα／dt量在設計中的應用154.4防止焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應力腐蝕的措施

應力腐蝕破壞是危害最大的腐蝕形態(tài)之一，不僅造成大量的經(jīng)濟損失，還經(jīng)常引起災難性事故，因此，有必要采取防護措施，盡量避免和消除應力腐蝕破壞。

4.4.1正確選材應力腐蝕的腐蝕介質(zhì)隨著材料種類的不同，其腐蝕程度也不同。防止和減輕腐蝕危害最常用的方法是針對特定腐蝕環(huán)境選擇合適的金屬材料。選材時應盡量采用耐應力腐蝕性好，價格適宜的金屬與介質(zhì)的組合?？赡軙r也可選用非金屬或非金屬襯里保護。

例如：碳鋼和低合金鋼，抗拉強度相同的材料，w(c)為0.2％時比w(c)為0.4％時的耐蝕性好，添加Ti可增加耐蝕性；在材料中添加Al、Mo、Nb、V、Cr等元素有改善耐蝕性的效果，P、N、O是有害于耐蝕性的元素，S的影響不大。目前橋梁等所使用的高強度螺栓就體現(xiàn)以上結(jié)論。

164.4.1正確選材---續(xù)

不銹鋼在含Cl-的溶液：奧氏體不銹鋼耐應力腐蝕最差，18Crl8Ni2Si[w(c)為0.06％]鋼在高Cl-溶液中耐蝕性較好，而在低Cl-溶液耐蝕性則不好。而奧氏體鐵素體雙相鋼（Cr20Ni18）對含低Cl-的水則有較好的耐應力腐蝕性，w(Ni+Cu)大于>0.5％的鋼在這種介質(zhì)中也有較好的耐蝕性。在奧氏體鋼中加入少量的Mo或Cu，可增大耐應力腐蝕性。

另外，在選取合金時，應盡量選用有較高KISCC的合金，以提高構(gòu)件抵抗應力腐蝕的能力。

總之，正確選材是一項復雜的工作，需要根據(jù)許多因素(物理力學性能、材料供應情況、價格等)綜合考慮。174.4.2合理的結(jié)構(gòu)設計

1)在設計中，除了要考慮材料強度外，同時還要考慮耐腐蝕性。在設計壓力容器、管道、槽及其他結(jié)構(gòu)時，需要對壁厚增加腐蝕裕度。

2)在設計時應盡量避免和減小局部應力集中，盡可能使截面過渡平緩，應力分布均勻?？梢圆捎昧骶€型設計，將邊、縫、孔等置于低應力區(qū)或壓應力區(qū)。另外，避免在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生縫隙、拐角和死角，因為這些部位容易引起介質(zhì)溶液的濃縮而導致應力腐蝕破壞。

3)設計時，如果對槽、容器等采用焊接不用鉚接，對施焊部位用連續(xù)焊而不用斷續(xù)焊，則可以避免產(chǎn)生縫隙，增加結(jié)構(gòu)抗應力腐蝕的能力。

圖4-8結(jié)構(gòu)上的改進示例18

4)設計槽及容器時，應考慮易于清洗和將液體排放干凈。槽底與排液口應有坡度，使其放空后不至積留液體。設計中要防止有利于應力腐蝕的空氣混入，如對于化工設備，特別要注意可能帶進空氣的攪拌器、液體進口和其他部位的設計。

5)避免不同金屬接觸以防止電偶腐蝕。全部體系盡量選用同類材料，或?qū)⒉煌牧现g絕緣。

6)換熱操作中應避免局部過熱點，設計時應保證有均勻的溫度梯度。因為溫度不均會引起局部過熱和高腐蝕速率，過熱點產(chǎn)生的應力會引起應力腐蝕破壞。綜上所述，設計時要避免不均勻和多樣性。不同的金屬、氣相空間、熱和應力分布不均勻以及體系中各部位間的其他差別，都會引起腐蝕破壞。因此，設計時應努力使整個體系的所有條件盡可能地均勻一致。4.4.2合理的結(jié)構(gòu)設計---續(xù)194.4.3消除和調(diào)節(jié)殘余應力

由表4-2可知，因焊接和加工時的殘余應力所引起的事故是應力腐蝕破壞事故總數(shù)的80％以上。所以在機械設計和施工時，應盡可能地減小殘余應力，以防止應力腐蝕破壞事故的發(fā)生。20消除和調(diào)節(jié)殘余應力---方法

1)

采用合理的施焊工藝降低殘余應力，并在加工過程中避免由于裝配不當?shù)人斐傻木植繎Α?/p>

2)

采用熱處理方法減小或消除殘余應力。

對于一般焊接鋼結(jié)構(gòu)采用消除應力退火處理即可(見第l章)。注意：奧氏體不銹鋼，在550~850℃的熱處理會降低耐蝕性，所以希望至少加熱至870℃以上，如果可能，應采取加熱至1050℃并急冷的固溶處理。回火脆性的鋼，如800MPa級的高強度鋼，進行消除應力退火雖然會惡化焊接區(qū)的斷裂韌度，但是減小殘余應力具有防止應力腐蝕裂紋的效果。氫脆型高強度鋼，熱處理消除應力的辦法無助于防止破裂。

總之，熱處理消除應力是一項有效的、普遍的防止應力腐蝕的措施，但是也有不便之處，尤其是對大型結(jié)構(gòu)。另外一些復雜結(jié)構(gòu)是由具有不同膨脹系數(shù)的不同材料組合成的，也不宜同時加熱，對于這些結(jié)構(gòu)可以采用局部熱處理或利用感應加熱處理等。

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3)

調(diào)節(jié)殘余應力場使構(gòu)件表面產(chǎn)生壓應力。

如果熱處理消除殘余應力實行起來很困難，可以采用噴鋼丸等機械方法使構(gòu)件表面造成壓應力場，以提高構(gòu)件抗應力腐蝕的能力。224.4.4控制電位—陰極和陽極保護

如一臺不銹鋼換熱器，管外含有Cl-的水，因積存在花板與管子間隙之中，引起不銹鋼管應力腐蝕破壞。在不銹鋼花板上面加一層較厚的碳鋼板，碳鋼提供犧牲陽極的陰極保護作用，用了三年，未發(fā)現(xiàn)不銹鋼管破裂(圖4-9)。而未加碳鋼表層時，則在使用1-9個月內(nèi)即破裂。

圖4-9防止不銹鋼換熱器管應力腐蝕破壞的結(jié)構(gòu)實例a)容易造成應力腐蝕破壞的結(jié)構(gòu)b)不銹鋼管得到保護的結(jié)構(gòu)