濕H2S環(huán)境中含缺陷Q345R鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕試驗研究

張 瑋，吳東陽，馬 琦

（1.浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州310032；2.浙江工業(yè)大學 過程裝備及其再制造教育部工程研究中心，浙江 杭州310032）

Q345R是制造中低壓壓力容器的常用鋼材，焊接是生產(chǎn)這些壓力容器的主要工藝，從某種程度上說，壓力容器的質(zhì)量就是其焊接質(zhì)量.凹坑是指焊縫表面或背面低于母材的部分，作為一種常見的焊接缺陷，對焊接質(zhì)量有重要影響.壓力容器受力復(fù)雜，在凹坑缺陷處將引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大的應(yīng)力梯度，如遇到濕H2S腐蝕介質(zhì)，凹坑處將成為薄弱環(huán)節(jié)和腐蝕失效的主要部位，很容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂［1－2］.國內(nèi)外學者常采用缺口試樣來研究幾何形狀不連續(xù)對結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響，但文獻中采用缺口來研究焊接凹坑對應(yīng)力腐蝕性能的影響相對較少.由于實際工程結(jié)構(gòu)的焊接情況和受力狀態(tài)復(fù)雜，因此不易通過試驗確定各種不同凹坑情況下的應(yīng)力腐蝕敏感性.筆者參考《含缺陷的壓力容器評定標準》對凹坑的評定，采用在圓棒試樣上加工出相應(yīng)缺口來模擬應(yīng)力集中系數(shù)不同的凹坑，并通過慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗（SSRT）來研究濕H2S環(huán)境下含凹坑缺陷Q345R鋼應(yīng)力腐蝕敏感性.

1 SSRT試驗

1.1 試驗材料

Q345R作為一種優(yōu)質(zhì)低合金鋼，有良好的加工工藝性能和綜合力學性能.本試驗試樣材料選用Q345R商用熱軋板材，其化學成分如表1所示.

表1 Q345R母材的化學成分1）Table1 Chemical composition of Q345Rbase metal%

圖3 SSRT棒狀試樣Fig.3 Round bar specimens for SSRT

1.2 試樣制備

采用埋弧自動焊對兩條規(guī)格為500mm×60mm×30mm的鋼板進行焊接，其坡口形式及尺寸如圖1所示.焊接材料為H08MnA焊條，焊后在空氣中進行冷卻，并使用X射線對焊縫質(zhì)量進行探傷檢測，按照標準JB4732評定為Ⅱ級合格.試樣采用標準的棒狀拉伸試樣（ASTM），垂直于軋制方向進行取材，如圖2所示，標距為17.5mm，具體幾何尺寸如圖3所示.

圖1 坡口尺寸Fig.1 Groove size

圖2 取樣示意圖Fig.2 Sampling schematic diagram

1.3 慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗

慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕實驗選用硫化氫水溶液，pH為1.5～3.硫化氫分別取204，612mg／L，由Na2S（分析純）和0.5mol／L的稀硫酸配制而成，試驗溫度為室溫.SSRT應(yīng)力腐蝕的應(yīng)變速率為1.06×10－6s－1.實驗安排如表2所示.SSRT 應(yīng)力腐蝕試驗在浙江工業(yè)大學自主研制的應(yīng)力腐蝕試驗機上進行，該試驗機的主要性能指標：最佳位移速度為6.2×10－6～3.5×10－4mm／s，最大載荷10kN，試驗溫度0～200℃.

表2 試驗安排Table 2 Test planning

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同缺口試樣SSRT試驗比較

通常采用斷裂時間，延伸率和斷裂前吸收的能量（應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積）等指標來評價材料的應(yīng)力腐蝕敏感性，分別用F（t），F(xiàn)（δ）和F（A）來表示.但由于F（A）同時包含應(yīng)力和應(yīng)變兩個參量，能更全面反映其應(yīng)力腐蝕敏感性，故主要采用F（A）來比較焊縫區(qū)不同缺口試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性.F（A）越大，其應(yīng)力腐蝕敏感性也就越大.環(huán)境介質(zhì)中各試樣敏感指數(shù)計算時均采用常溫下空氣中拉伸試驗的結(jié)果作為對照參數(shù)，其計算結(jié)果偏于保守.

式中：A0，A分別表示常溫空氣和腐蝕介質(zhì)中斷裂前吸收的能量.

由圖4和表3可知：在204，612mg／L的濕H2S環(huán)境中，焊縫區(qū)無缺口試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)F（A）均低于含缺口的試樣；而對于焊縫區(qū)含缺口試樣，隨試樣缺口半徑的不斷增大，其對應(yīng)的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)F（A）均逐漸減小，斷裂所需時間和延伸率均逐漸增大，相同缺口半徑的試樣，612mg／L的濕H2S環(huán)境中試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性F（A）較高.

圖4 不同缺口下的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)F（A）Fig.4 SCC sensitivity index F（A）of notched specimens

表3 Q345R鋼焊接接頭在濕硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)1）Table 3 SCC sensitivity index of Q345Rsteel welding joint in wet H2S

2.2 不同缺口試樣斷口形貌分析

如圖5（a，b，c）掃描電鏡圖像所示，無缺口試樣在空氣中的斷口形貌均呈韌窩狀，焊縫區(qū)材料的韌窩分布與母材區(qū)材料相比更為均勻；焊縫區(qū)無缺口試樣在612mg／L的濕H2S環(huán)境下有少量的解理斷口特征.由圖5（d，e，f）可見：在612mg／L的濕 H2S環(huán)境下，缺口試樣的斷口均為河流花樣，為解理斷口形貌，且隨缺口半徑的減小，解理特征愈發(fā)明顯，表現(xiàn)出更明顯的應(yīng)力腐蝕斷裂特征.

2.3 結(jié)果討論

應(yīng)力腐蝕破裂是應(yīng)力和腐蝕環(huán)境同時作用下的破裂，通常認為，在許多腐蝕體系中，均存在一個應(yīng)力腐蝕破裂臨界值，即當所受應(yīng)力低于此值時，材料不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂，這個應(yīng)力值簡稱為σ臨，對低合金鋼和普通碳鋼常可以觀察到σ臨的存在.在慢應(yīng)變速率拉伸過程中圓棒試樣僅受到拉應(yīng)力的作用，但含缺口試樣在缺口處橫截面積較小，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中.筆者采用有限元分析軟件Ansys對其進行模擬和驗證.圖6為焊縫缺口R0.5試樣的軸向應(yīng)力云圖，在缺口的中間位置所受的應(yīng)力最大，其他缺口類型試樣的受力情況也與之類似.計算得知，缺口處的應(yīng)力集中系數(shù)kt隨缺口半徑的增大而減小，具體情況如圖7所示.圓棒試樣的缺口可以引起局部應(yīng)力上升，而這里也是裂紋萌生的部位，因此缺口處的的真正局部應(yīng)力比外加應(yīng)力大的多，且應(yīng)力集中系數(shù)越大，達到應(yīng)力腐蝕破裂臨界值的時間越早.

圖5 試樣的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of different samples

圖6 焊縫缺口R0.5試樣軸向應(yīng)力云圖Fig.6 Axial stress color chart of welding R0.5notched specimen

蔣金勛等［3－7］指出：金屬在無蝕坑、無裂紋或缺陷的情況下，應(yīng)力腐蝕破裂常分為三個階段.首先是萌生期，也就是導致應(yīng)力集中的裂紋源的生核孕育期；其次是裂紋擴展期；最后是失穩(wěn)純力學的裂紋期，即破裂期.前一階段時間很長，約占破裂總時間的90%，后兩個階段時間比較短，為破裂時間的10%.有文獻［8］提到焊接接頭初始裂紋的產(chǎn)生與焊接接頭組織中的非金屬夾雜物有很大關(guān)系，存在于金屬材料內(nèi)部夾雜物在裂紋生核后很難與腐蝕溶液接觸，只有在裂紋擴展后才能與溶液接觸.因此焊接缺口類型不同，其初始裂紋萌生后與腐蝕溶液接觸的程度也不同，應(yīng)力腐蝕第一階段所需的時間也不相同.

圖7 缺口試樣的應(yīng)力集中系數(shù)Fig.7 Stress concentration factor Ktof notched specimens

當Q345R鋼達到屈服強度σs＝300MPa時，圓棒試樣缺口處由于應(yīng)力較大已經(jīng)提前進入塑性階段，左景伊等［9］提到當應(yīng)變由彈性變?yōu)樗苄詴r，鐵在酸中的溶解度速度大大增加，當應(yīng)力大于屈服強度時，可能使滑移臺階露出的表面活性局部上升，高指數(shù)晶面和滑移臺階的邊緣暴露出來，表面粗糙度增大.而硫化氫溶解于水后逐步電離出S2－、HS－和H＋等離子，可在缺口處形成小的酸性閉塞環(huán)境，裂紋成核后立即和溶液接觸，并隨S2－、HS－和H＋等離子逐漸深入到裂紋尖端，裂紋擴展速度也隨之加快.當裂紋向前延伸時，縫側(cè)由電化學活性變?yōu)橄鄬Φ亩栊?縫側(cè)上生成膜，而縫尖則不生膜，此時應(yīng)力的作用就是防止裂紋尖端形成膜，或使裂紋尖端處形成的膜不斷破裂.缺口處微裂紋形成速度隨應(yīng)力集中系數(shù)的減小而降低，但均比無缺口試樣要快，表現(xiàn)在缺口試樣延伸率和斷裂時間均隨應(yīng)力集中系數(shù)的減小而相應(yīng)增加，應(yīng)力腐蝕敏感性逐漸減小.

3 結(jié) 論

在204，612mg／L的濕 H2S環(huán)境中，Q345R鋼焊接接頭由于受到溶液和應(yīng)力集中的協(xié)同作用，隨著焊縫區(qū)試樣缺口半徑的不斷增大（應(yīng)力集中系數(shù)逐漸減?。?，其對應(yīng)的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)F（A）逐漸減小，斷裂所需時間逐漸增大，缺口試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)F（A）均高于無缺口試樣；相同缺口半徑的試樣，612mg／L的濕H2S環(huán)境中試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性F（A）較高.

［1］若飛，焦淑紅，郭清有.蒸發(fā)器焊縫開裂的原因及解決措施［J］.焊接，2004（3）：42－43.

［2］劉覺非，徐磊華，賈濤，等.浮船單盤角焊縫的在役磁粉檢測［J］.無損檢測，2008，30（6）：385－386.

［3］蔣金勛，張佩芳，高滿同.金屬腐蝕學［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1986：110－126.

［4］TIWARI G P，BOSE A，CHAKRAVARTTY J K，et al.A study of internal hydrogen embrittlement of steels［J］.Materials Science and Engineering：A，2000，286（12）：269－281.

［5］LI Song－jie，ZHANG Zuo－gui，EIJI A，et al.Evaluation of susceptibility of high strength steels to delayed fracture by using cyclic corrosion test and slow strain rate test［J］.Corrosion Science，2010，52（5）：1660－1667.

［6］李明，李曉剛，陳華.在濕H2S環(huán)境中金屬腐蝕行為和機理研究概述［J］.腐蝕科學與防護技術(shù)，2005，17（2）：107－111.

［7］曾彤，余存燁.硫化物應(yīng)力腐蝕破裂探討［J］.全面腐蝕控制，2011，25（4）：9－15.

［8］唐建群，鞏建鳴，張顯成，等.SPV50Q高強度鋼焊接接頭在濕H2S環(huán)境下的開裂敏感性研究［J］.機械強度，2007，29（1）：97－102.

［9］左景伊.應(yīng)力腐蝕破裂［M］.西安：西安交通大學出版社，1985：60－88.