雙相不銹鋼法蘭焊接分析

徐井偉　李文偉　王麗思

摘要：根據(jù)裂紋能量理論分析S32750雙相不銹鋼焊縫產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的能量基礎(chǔ)，推導(dǎo)工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力、附加應(yīng)力和應(yīng)力的集中導(dǎo)致反法蘭焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕能量關(guān)系式。進而闡述裂紋擴展——微量所釋放的能量小于裂紋每擴展——微量所需要的能量，裂紋不能自動擴展。在能量達到一定的極限后，裂紋擴展時系統(tǒng)能量減少，即釋放的能量大于裂紋擴展所需要的能量，因此裂紋將自動擴展會導(dǎo)致脆性破壞發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。為了工程質(zhì)量根據(jù)能量理論推導(dǎo)出的能量關(guān)系進而采取合理的措施來避免再次發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力腐蝕;宏觀分析;脆性斷裂

重要廠房用水系統(tǒng)采用S32750雙相不銹鋼管道，其功能是將海水送往凝汽器和輔助冷卻水系統(tǒng)，冷卻蒸汽和設(shè)備。因此分析S32750雙相不銹鋼的焊縫應(yīng)力腐蝕在后續(xù)在建核電廠和運行核電廠預(yù)防焊縫應(yīng)力腐蝕有重要的實用價值。

1應(yīng)力腐蝕機理

法蘭斜頸母材化學(xué)成分和拉伸性能滿足S32750材料的規(guī)定要求，但沖擊性能偏低。法蘭在頸部焊接區(qū)附近的斜頸過渡處發(fā)生開裂，裂紋形成位置是應(yīng)力集中區(qū)。裂紋的起源在反法蘭頸部的內(nèi)表面，裂紋附近存在較多的腐蝕坑。裂紋首先在反法蘭斜頸，內(nèi)表面發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，然后在較大的應(yīng)力作用下發(fā)生脆性開裂。含S、Cl的腐蝕性介質(zhì)富集在焊縫附近以及較大的應(yīng)力作用是法蘭發(fā)生開裂的主要原因。因此就腐蝕和脆性開裂進行深入分析，以便在工程中對應(yīng)力腐蝕裂紋采取有效的防范措施。

2腐蝕機理

腐蝕是一種化學(xué)過程，作為陽極的金屬溶解，同時放出電子，而這些電子由被陽極過程所吸收，這樣就會導(dǎo)致金屬不斷的溶解。陰極反應(yīng)可以是析氫反應(yīng)，也可以是吸氧反應(yīng)或者其他電子吸收的過程。Fe元素在海水中腐蝕時發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)過程如下：

對S32750雙相不銹鋼的主要腐蝕形式為點蝕或孔蝕，這種腐蝕分布不均勻，隨機性很大。有研究表明孔蝕優(yōu)先在敏感鈍化金屬表面上形成、敏感金屬表面為有碳化物析出的晶界、非金屬夾雜物、晶格缺陷。對于不同的非金屬夾雜物引起的點蝕程度也不一樣，常見的夾雜物是FeS、MnS等硫化物。晶格缺陷敏感的活性點是指位錯露頭、劃傷等鈍化膜的薄弱點。發(fā)生孔蝕時需要有一個誘導(dǎo)期，影響S32750雙相不銹鋼耐腐蝕性能的重要因素是金屬表面鈍化膜穩(wěn)定性和完整性。金屬表面鈍化膜在海水中處于不斷溶解和不斷生成的動態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)海水中存在活性氯離子大量聚集在非金屬夾雜物上，將金屬表面的鈍化膜上氧原子排擠掉，使局部發(fā)生破壞打破動態(tài)平衡。一般情況下，孔蝕核會逐漸的長大。當(dāng)孔蝕核長大到30μm（臨界尺寸）以上時，在S32750雙相不銹鋼金屬表面形成宏觀可見是蝕孔。蝕孔又稱為孔蝕源，孔蝕源一旦形成就可能迅速發(fā)展，向金屬內(nèi)部“深挖”，最終形成腐蝕坑。這種“深挖”的機理可以用鼻塞腐蝕電池理論來解釋，首先在S32750雙相不銹鋼表面氧含量是相同的，腐蝕是均勻的，隨著腐蝕的進行。由于腐蝕孔內(nèi)氧消耗補充困難，造成腐蝕坑內(nèi)部缺乏氧。缺氧使得蝕孔內(nèi)、外形成氧濃度差電池。其次是金屬離子水解溶液酸化，孔蝕電池所產(chǎn)生的腐蝕電流使Cl-向孔內(nèi)遷移聚集，而Fe2+的水解使孔內(nèi)溶液酸化，隨后致鈍電位升高，孔內(nèi)溶液濃度加大，導(dǎo)電性提高蝕孔內(nèi)溶液pH值下降。

3脆性斷裂能量理論

假設(shè)裂紋裂開后，存儲的彈性應(yīng)變能量部分被釋放出來。設(shè)被釋放的能量為U，又由于裂紋出現(xiàn)后有新的表面形成，表面形成過程要吸收能量，設(shè)其為W，則其能量的總改變量Ep由下式表示：

裂紋則不能自動擴展。因為法蘭是剛性連接，焊接殘余應(yīng)力不能有效的自然釋放與泵在運行過程中載荷引起的工作壓力相互疊加。導(dǎo)致S32750塑性能力變差，抗脆斷能力，抵抗應(yīng)力腐蝕開裂變低。

綜上所述，造成應(yīng)力腐蝕基本因素是材料在工作條件下韌性不足，在工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力、附加應(yīng)力和應(yīng)力的集中導(dǎo)致反法蘭焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕，因此應(yīng)該在加工制造階段考慮反法蘭焊縫在工作中應(yīng)力集中。在4號機組安裝時，在反法蘭結(jié)構(gòu)增加100mm來減少應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)更改后在后續(xù)的運行過程中未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕。

參考文獻：

[1]漆俊俊.雙相不銹鋼塑性變形及熱處理的研究，碩士學(xué)位論文，江蘇科技大學(xué)，2011.

[2]閆紅彥，等.焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂及防護，洛陽工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報，2017年，2期，16-19.