淺談焊接對金屬材料腐蝕的影響

陸彥軍　葛云峰

摘要：在進(jìn)行金屬材料的焊接過程中，焊接接頭和焊縫接觸的區(qū)域在性能和化學(xué)成分方面可能會有很大差異，所以在焊接過程中極大可能會導(dǎo)致材料本身發(fā)生變化，從而引起腐蝕現(xiàn)象，通常來說焊接接頭處是受腐蝕的重災(zāi)區(qū)，在本文中我們分析了焊接對金屬材料腐蝕的影響，并簡單闡述了降低金屬材料焊接腐蝕性能的解決方案。

關(guān)鍵詞：焊接;金屬材料;腐蝕引言

金屬材料的縫隙腐蝕是指焊接過程中間隙的大小、介質(zhì)的運動狀態(tài)以及腐蝕特性等原因，這其中最重要的是，焊接表面缺陷為金屬材料的縫隙腐蝕提供了一定的空間，因此焊接缺陷會極大地影響金屬材料的腐蝕。在焊接過程中，某些加工應(yīng)力（例如相變應(yīng)力）超過了屈服極限，因此該殘余應(yīng)力在焊接后仍保留在焊縫中，焊接殘余應(yīng)力會嚴(yán)重影響焊接零件的抗應(yīng)力腐蝕性能，所以必須以多種方式進(jìn)行處理，焊接后熱處理是一種減少焊接中殘余應(yīng)力的方法，本文探討了焊后熱處理對金屬材料耐應(yīng)力腐蝕的影響。

1.對于焊接腐蝕的研究

焊接結(jié)構(gòu)在使用過程中被腐蝕，導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕損壞，增加了應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生率以及對鋼結(jié)構(gòu)的損壞，焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕破壞問題也是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點，在之前的研究中，來自不同國家的學(xué)者主要通過模型測試來研究焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕行為，但是由于鋼類型與焊接工藝和腐蝕環(huán)境的差異會影響焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕行為，由于通過模型測試獲得的數(shù)據(jù)的特定特性，因此很難總結(jié)和探討焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕行為機理，所以科研專家獲得的關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕行為機理的理論結(jié)果并不高于通過模型試驗獲得的結(jié)果，缺乏理論結(jié)果在一定程度上對研究人員測試結(jié)果的準(zhǔn)確分析影響較大。

2.焊接對于金屬材料造成的腐蝕

首先，由于諸如裂紋、熔深、無熔深、氣孔、咬邊、焊接旋鈕和焊接過程中發(fā)生的焊接變形等表面缺陷，在金屬和母材之間形成了間隙、另外，由于焊接時的飛散在金屬粒子與母材接觸的部位可能產(chǎn)生間隙，如果電解液是氯化鈉水溶液，這些間隙將導(dǎo)致縫隙腐蝕。其次，碳鋼焊接工藝中有許多非金屬夾雜物，例如硫化物、和氮化物與氧化物，這些非金屬夾雜物顯著增加了熱裂紋和脆性的趨勢，并降低了焊接的耐腐蝕性和塑性，尤其是硫化物通常由助熔劑攜帶，其中許多以MnS形式存在，MnS是一種活性夾雜物， 因此，當(dāng)焊接不銹鋼材料時，在加熱和冷卻過程中熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)和組成會改變，從而增加了這種材料本身腐蝕的趨勢。第三，當(dāng)前大型設(shè)備通常采取現(xiàn)場安裝。現(xiàn)場安裝通常涉及焊接過程，通過焊接過程對材料進(jìn)行局部加熱會立即產(chǎn)生高濃度的溫度，從而導(dǎo)致材料不均勻，由于壓力過大將顯示屈服極限的情況也經(jīng)常出現(xiàn)，焊接后的材料具有很強的焊接殘余應(yīng)力，這會導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕并影響壓力容器的使用，應(yīng)力腐蝕只能在某些情況下發(fā)生，并且必須存在應(yīng)力才能引起應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕斷裂屬于延遲斷裂，其特征在于低應(yīng)力和脆性，在中國石化行業(yè)中，由于金屬材料中同時存在腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力，因此經(jīng)常發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，目前退火通常用于去除焊縫冷卻后的殘余應(yīng)力。但焊接冷卻更可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力，又浪費資源會增加焊接殘余應(yīng)力，焊后熱處理技術(shù)可以盡快消除殘余應(yīng)力，焊接后熱處理方法首先將金屬材料預(yù)熱至熱處理溫度，在焊接過程中保持該溫度并在焊接完成后緩慢冷卻材料，由此可以減少焊接的殘余應(yīng)力，并且可以提高金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。

3.以管線鋼接頭焊接為例，分析防腐措施3.1接頭熱處理由于接頭的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、晶粒大小和殘余應(yīng)力與母材的化學(xué)組成，微觀結(jié)構(gòu)、晶粒大小和殘余應(yīng)力不同，所以接頭通常比母材更容易受到腐蝕，對焊接接頭后期使用熱處理工藝，以改善接頭結(jié)構(gòu)的性能并消除零件分離，殘余應(yīng)力有效改善了管道鋼接頭的機械性能和耐腐蝕性，但是為提高管道鋼配件的耐腐蝕性而進(jìn)行的熱處理通常受到限制，需要結(jié)合其他方法加以保護(hù)。

3.2防護(hù)涂層與陰極保護(hù)目前，管線鋼的防腐主要是通過表面涂層和陰極保護(hù)相結(jié)合的方式來進(jìn)行。主要用于土壤環(huán)境中的長距離管道，表面涂層在管道的鋼表面上提供特定的保護(hù)涂層，以物理隔離腐蝕性介質(zhì)并提供被動保護(hù)，管道鋼有不同類型的保護(hù)涂層，在管道鋼的組裝和使用過程中涂層會脫落，并且在剝離涂層下管道鋼的腐蝕會更加嚴(yán)重，這個問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并成為研究的熱點。陰極保護(hù)是一種通過直接或間接向管道鋼施加電流以使管道鋼處于相對負(fù)電位來防止管道鋼腐蝕的方法。此方法主要用于保護(hù)具有高土壤電阻率的大型金屬部件或結(jié)構(gòu)，例如長距離地下管道或大型儲罐組，在管道鋼普遍腐蝕的情況下，廣泛采用陰極保護(hù)和有機涂層相結(jié)合的保護(hù)方法，這種方法不僅控制了整體腐蝕，而且降低了低強度管線鋼的SCC敏感性，對于高強度等級，陰極極化（或傳統(tǒng)的陰極保護(hù)）不能有效地控制材料的SCC性能。

3.3緩蝕劑緩蝕劑是控制管道鋼腐蝕的化學(xué)物質(zhì)，是腐蝕防護(hù)的重要手段，通過在管道表面上沉積和吸附形成保護(hù)膜，可以有效地抑制微生物的腐蝕和管道的亞尺度腐蝕，目前腐蝕抑制劑的種類很多，腐蝕防護(hù)機理也很不同，由于它的低成本和有效性，它被廣泛用于石油和天然氣行業(yè)，同時應(yīng)該重點開發(fā)生產(chǎn)新型且毒性較小并有效的腐蝕抑制劑。

3.4表面改性表面改性是改善腐蝕防護(hù)的研究熱點，例如激光熔覆、滲層，噴丸處理等等。通過將外部元素引入到管線鋼的表面中或改變表面結(jié)構(gòu)和細(xì)晶粒，并將表面拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，上述方法提高了管線鋼的抗SCC性，同時，正在研究其他表面改性工藝對腐蝕性能的應(yīng)用，盡管該方法是表面處理，不需要對管線鋼進(jìn)行內(nèi)部處理，但易于自動化生產(chǎn)，但不能從根本上解決腐蝕問題，有科研人員發(fā)現(xiàn)，X70管線鋼焊縫的原始狀態(tài)存在殘余拉應(yīng)力，容易造成Cl-引起的應(yīng)力腐蝕開裂，激光沖擊處理會在焊縫中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，同時精煉表面顆粒表層形成增強層，從而提高管道鋼焊縫的耐鹽霧腐蝕能力。

3.5改善腐蝕環(huán)境腐蝕環(huán)境的差異對管道鋼的腐蝕有重要影響，因此改善溫度、濕度、pH值和適度的流量等變量可以有效地減緩管道鋼腐蝕的進(jìn)程，經(jīng)過科研人員的研究發(fā)現(xiàn)，濕度對X70管線鋼的腐蝕有重要影響，最大腐蝕速率是土壤濕度在15%至20%之間時，在相同濕度下，鹽漬土壤的侵蝕速度更快。

4.減小焊接對于金屬材料腐蝕的對策

在整個焊接過程中，對金屬材料腐蝕的影響非常復(fù)雜且不可避免，只能在焊接時盡量減少對金屬材料腐蝕的影響，因此除了抑制焊接過程中的焊接缺陷和殘余應(yīng)力外，還需要根據(jù)腐蝕環(huán)境選擇合適的材料并采用最佳的焊接工藝，焊接碳鋼時，使用與母材相同的填充金屬進(jìn)行焊接，對于不銹鋼請仔細(xì)考慮如何消除焊接過程中碳化鉻沉淀引起的晶間腐蝕。

結(jié)束語許多壓力容器和化學(xué)設(shè)備都需要焊接，焊縫和熱影響區(qū)的腐蝕性會直接影響生產(chǎn)和人員安全，因此有必要仔細(xì)考慮在焊接過程中可能對金屬材料產(chǎn)生腐蝕作用的各種因素，這對生產(chǎn)安全性具有重要意義。

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