海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫腐蝕與防護(hù)拓展研究

孔祥強(qiáng)，胡昌兵

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

海洋工程是新時(shí)代提升國(guó)家綜合實(shí)力的一項(xiàng)重要工程，海洋中蘊(yùn)藏著巨大的豐富能源。鋼結(jié)構(gòu)在海洋工程中地應(yīng)用非常廣泛，海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的焊縫腐蝕處理非常重要，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的有效研究，可以明顯增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的焊接處理效果。在進(jìn)行焊接處理時(shí)，需要根據(jù)整體焊接情況對(duì)海洋工程的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較明確的分析。在實(shí)際生產(chǎn)中，作為鋼材的焊接結(jié)構(gòu)改善了主要的適用形態(tài)，因此整體的組織形態(tài)也發(fā)生了變化。在焊接的整體處理中，需要對(duì)焊接技術(shù)、熱處理、超聲波的影響進(jìn)行最終的焊接效果改善[1]。

1 焊接接頭的組成

焊接接頭通常為兩個(gè)以上部件在一起焊接的接頭?；蛘咄ㄟ^(guò)焊接連接的兩個(gè)以上的部件。這包括焊接接頭、熔接帶、熱影響部。焊接金屬組織受母材影響，焊接部的接合部受合金化及焊接熱的影響。在海洋工程系統(tǒng)的整體處理工序中，需要進(jìn)行焊接接頭的預(yù)備焊接組合。在接頭的變化下，焊接面積和熔融區(qū)域具有特定的特性，因此合金化合物的控制可以在三維圖像上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)信息的整體收集，相應(yīng)地控制熱影響區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)的差異也會(huì)改變，金屬的微觀結(jié)構(gòu)有很大的不同。因此，在綜合處理中焊接接頭整體的結(jié)構(gòu)不同，需要綜合評(píng)價(jià)尺寸，同時(shí)需要進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接墊片的接合處理。在共同間隙的控制下，鋼結(jié)構(gòu)的整體層次也能得到更好的保護(hù)，防止腐蝕。

2 焊縫區(qū)域的腐蝕種類(lèi)

焊接部分的整體控制需要控制整個(gè)材料環(huán)境。同時(shí)，在分析過(guò)程參數(shù)時(shí)，焊接整體的變化需要控制裂紋、黑點(diǎn)、焊接接頭等焊接缺陷，嚴(yán)格控制焊接間隙的腐蝕，防止焊接間隙的腐蝕。需要有組織地控制焊接面積的變化，需要通過(guò)控制集中整體電位差的變化，能夠有效地避免焊接間隙的腐蝕。

第一，電偶腐蝕：眾所周知，電偶腐蝕也是不同種類(lèi)的金屬腐蝕或接觸腐蝕。當(dāng)化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境介質(zhì)的兩種不同材料形成電路時(shí)，高電位金屬由陰極緩慢腐蝕，低電位金屬加速正極腐蝕。在腐蝕性介質(zhì)中，由于微觀組織的不均勻分布和焊接接頭的組成不同，容易發(fā)生電位差，發(fā)生腐蝕。電解質(zhì)溶液的pH值改變了極性，隨著ph值的減少，電偶對(duì)從熱影響部變?yōu)槟覆摹：附咏宇^腐蝕是焊接接頭服務(wù)過(guò)程中的一般腐蝕行為，減少焊接接頭不同區(qū)域之間的微觀結(jié)構(gòu)差異，平衡電位差，有效減少焊接接頭腐蝕的發(fā)生頻率，起到保護(hù)作用。

第二，應(yīng)力腐蝕：在應(yīng)力腐蝕的情況下，應(yīng)均勻地處理介電層。一般來(lái)說(shuō)，腐蝕應(yīng)力機(jī)構(gòu)可以整體控制陽(yáng)性溶極，通過(guò)將腐蝕應(yīng)力機(jī)構(gòu)集中在焊接線(xiàn)上，在整體控制結(jié)束時(shí)可以控制整體的應(yīng)力腐蝕。優(yōu)化表面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)控制模式以使整體電阻效應(yīng)更顯著。在低速應(yīng)變率技術(shù)的應(yīng)用中，應(yīng)該進(jìn)行整體化學(xué)腐蝕的相應(yīng)聯(lián)合試驗(yàn)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，由于勢(shì)能負(fù)載的控制效果，可以控制電位變化以防止海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的焊縫腐蝕，并且可以集中多維設(shè)備的處理技術(shù)來(lái)進(jìn)一步防止應(yīng)力腐蝕。

第三，疲勞腐蝕：在疲勞腐蝕的整個(gè)環(huán)境中，需要控制電荷的腐蝕。在多維控制下，裝置的腐蝕效果逐漸變化，基于腐蝕介質(zhì)的合金焊接接頭的上升和掉落也會(huì)變化。在腐蝕的變化中，鋁合金接頭可以提高氯化鈉溶液的腐蝕疲勞性能。由于介質(zhì)濃度的變化，ph值逐漸降低，焊接接頭壽命曲線(xiàn)成為三角形。隨著應(yīng)力水平的提高，焊接部設(shè)備腐蝕控制的效果更加明顯，機(jī)器抗疲勞腐蝕的影響也變強(qiáng)，最終介質(zhì)的物性提高。因此，在環(huán)境處理中，使用不同的設(shè)備端部來(lái)控制焊接[2]。

3 焊縫區(qū)域的抗腐蝕措施

第一，采用熱處理工藝：焊接后金屬的熱膨脹和冷卻容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和腐蝕應(yīng)力，同時(shí)焊接部出現(xiàn)熱影響部、焊縫部以及熔合部，這些地方的電位差促進(jìn)整體腐蝕。焊接后熱處理的使用，排除一定殘留應(yīng)力的一部分，改善焊接后的結(jié)構(gòu)差異。通過(guò)焊接后等恒定電位極化加速腐蝕試驗(yàn)方法，研究了各種熱處理過(guò)程對(duì)槽腐蝕敏感性的影響。發(fā)現(xiàn)回火處理不能單獨(dú)降低腐蝕的敏感性，并且腐蝕感受性可以通過(guò)焊接后的質(zhì)量調(diào)整和簡(jiǎn)單的引入處理大大降低。即，焊接后的熱處理后的應(yīng)力耐腐蝕性高。因此，適當(dāng)?shù)臒崽幚砑夹g(shù)可以改善母材和焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并且可以減緩腐蝕的發(fā)生。然而，不同的材料需要在焊接后進(jìn)行不同的熱處理。選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒▉?lái)優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)和特性，并獲得良好的保護(hù)效果。

第二，在焊縫中加入er元素：通過(guò)表2.1與表2.2可知，在不同er含量含量的材質(zhì)中，隨著er含量的提高，焊接接頭的延展能力以及抗拉能力先上升后下降，但是在er含量更高時(shí)，下降的程度會(huì)變小。一般情況下，腐蝕電位越大，腐蝕電流密度越小，耐腐蝕性能越好。在焊縫中加入er元素，可明顯提高焊接接頭的力學(xué)性能。但是，在焊接企業(yè)中加入過(guò)多的er元素，焊接接頭的力學(xué)性能會(huì)下降。Al-5.5mg-1Zn焊絲焊縫中存在大量的T相沿晶分布。當(dāng)焊縫受到腐蝕時(shí)，在T相正極上形成更多的微電池，導(dǎo)致腐蝕。，添加er焊絲的焊縫中，T相細(xì)化為點(diǎn)狀，分布在晶體中。焊縫的力學(xué)性能和耐蝕性明顯提高。但當(dāng)er含量超過(guò)0.6%時(shí)，焊縫中er含量增加，焊接接頭的晶界會(huì)形成粗大T相，導(dǎo)致二次裂紋，降低接頭的力學(xué)性能和抗內(nèi)應(yīng)力腐蝕性能。

表1 不同焊絲對(duì)應(yīng)焊接接頭拉伸能力

表2 不同焊縫的極化曲線(xiàn)

所以，在鋼結(jié)構(gòu)中添加一些er元素可以提高焊縫的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而提升焊縫的抗腐蝕性。

第三，采用超聲波沖擊技術(shù)：超聲波是一種頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)，具有空氣、聲流等作用，它具有機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和超聲損傷效應(yīng)?；诔暡ǖ男?yīng)將高頻、高能量的超聲波引入金屬液中。超聲波顯著細(xì)化了材料的晶粒，改善了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，改善了氣孔缺陷，提高焊接殘余應(yīng)力和焊接區(qū)電位差，可以有效地降低焊接殘余應(yīng)力和焊接區(qū)電位差。焊接時(shí)在背面施加超聲波沖擊，有效降低焊接殘余應(yīng)力，緩解應(yīng)力腐蝕趨勢(shì)采用超聲波沖擊處理方法，對(duì)焊接接頭進(jìn)行全覆蓋強(qiáng)化，通過(guò)疲勞對(duì)比試驗(yàn)，分析焊接接頭的疲勞性能。超聲沖擊有效地減輕了焊接接頭的疲勞腐蝕，對(duì)焊縫起到了保護(hù)作用，經(jīng)超聲沖擊處理的焊縫具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力。

第四，焊接腐蝕防護(hù)：在腐蝕保護(hù)方面，需要明確分類(lèi)焊接過(guò)程，在屏蔽氣體的控制下精制焊接接頭。在這種結(jié)構(gòu)應(yīng)力的連續(xù)影響下，焊接缺陷可以緩和，焊接缺陷可以同時(shí)在前端消除，在系統(tǒng)層的保護(hù)中，需要觀察鋁板的整體焊接。整體曲線(xiàn)使用電弧焊接焊接13mm厚的鋁板，通過(guò)觀察和分析整個(gè)焊接曲線(xiàn)，在裝置水平的控制下，焊接接頭整體具有耐腐蝕性。在熱輸入的控制下，對(duì)于特性的變化，綜合提高焊接質(zhì)量，綜合控制裝置，改進(jìn)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最終調(diào)整焊接面積的氧化結(jié)構(gòu)，綜合處理焊接接頭。特別是在機(jī)械的控制中，需要在設(shè)備級(jí)控制熱級(jí)管線(xiàn)。這樣，在將母材整體焊接時(shí)，需要將焊接工序與實(shí)際情況相結(jié)合，能夠明確控制焊縫的腐蝕。

第五，工業(yè)涂料以及陰極保護(hù)：防腐蝕涂料在業(yè)界廣泛使用。一些是有機(jī)涂層，例如環(huán)氧瀝青，這可以防止鋼結(jié)構(gòu)與腐蝕介質(zhì)接觸，并獲得防腐效果。也有為了以保護(hù)陰極的形式保護(hù)不銹鋼接頭，而使用鋅鋁等無(wú)機(jī)涂層的。用固定含量100%的噴霧等級(jí)乙烯涂層覆蓋了不銹鋼接頭。將機(jī)械混合的聚苯胺和納米二氧化硅以1:1的比例進(jìn)行涂覆。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其抗酸性好，抗腐蝕性好。類(lèi)似地，無(wú)機(jī)涂層具有保護(hù)陰極的功能，并且實(shí)際應(yīng)用。制備鋅鋁涂層，并在堿性土壤溶液中進(jìn)行腐蝕測(cè)試，測(cè)量三個(gè)涂層的極化曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)鋁涂層的保護(hù)效果很好。結(jié)果表明，基于鍍鋅可以防止腐蝕。當(dāng)選擇防腐蝕涂層時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，合理的涂層組合可以給涂層性能帶來(lái)完美的發(fā)揮。

4 結(jié)語(yǔ)

海洋工程是新時(shí)代提升國(guó)家綜合實(shí)力的一項(xiàng)重要工程，海洋中蘊(yùn)藏著巨大的豐富能源。鋼結(jié)構(gòu)在海洋工程中地應(yīng)用非常廣泛，但是，就其性質(zhì)而言，鋼結(jié)構(gòu)的焊縫處極易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接縫隙腐蝕的防護(hù)方法。優(yōu)化焊接工藝，控制焊接質(zhì)量，采用不同的后處理方法，提高結(jié)構(gòu)的均勻性，一般采用與結(jié)構(gòu)其他部位相同的防腐層，保護(hù)靠近焊接間隙區(qū)域的表面或犧牲陽(yáng)極。但由于焊接區(qū)陽(yáng)極數(shù)量的限制和表面預(yù)處理的影響，該區(qū)域的涂層會(huì)過(guò)早失效。焊接區(qū)的鋼材會(huì)加速腐蝕，焊接結(jié)構(gòu)的耐蝕性決定了整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，因此，有必要對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行特殊的表面防護(hù)處理，以保證鋼結(jié)構(gòu)的安全。