EH36鋼焊接接頭海水腐蝕疲勞性能及斷裂機(jī)制

蘇云龍， 白雪平， 易叢， 韓永典， 楊思愚

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028; 2. 天津大學(xué), 天津 300354)

0 前言

中國是一個(gè)海洋油氣資源豐富的國家，潛在石油儲(chǔ)量約550億噸，天然氣20萬億立方米以上[1]。海洋油氣資源的開發(fā)離不開海洋鉆井平臺(tái)的建設(shè)。海洋深水鉆井平臺(tái)暴露在高鹽度海水腐蝕環(huán)境中，海水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕損傷；同時(shí)海洋平臺(tái)通常要支撐總質(zhì)量數(shù)百噸的各種設(shè)備，導(dǎo)致其承受極大的工作應(yīng)力。腐蝕和疲勞共同作用導(dǎo)致海洋結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度下降、塑性降低、開裂等，影響結(jié)構(gòu)件的可靠性，是海洋鋼結(jié)構(gòu)中最顯著的失效機(jī)制[2-3]。因此，使用鋼材構(gòu)建海洋工程結(jié)構(gòu)和其服役過程中，必須考慮腐蝕疲勞的問題。國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞研究中通常使用3.5%NaCl溶液等模擬海水溶液代替實(shí)際海水，研究鋼結(jié)構(gòu)在模擬海水中的腐蝕疲勞性能和機(jī)理[4-9]，而關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際海水環(huán)境中的腐蝕疲勞性能和機(jī)理的報(bào)道較少。

以EH36鋼焊接接頭為研究材料，開展了EH36鋼焊接接頭在實(shí)際海水腐蝕環(huán)境下的腐蝕疲勞試驗(yàn)，得到了腐蝕疲勞的S-N曲線，并使用掃描電鏡(Scanning electron microscope, SEM)對(duì)腐蝕疲勞斷口形貌進(jìn)行分析，探究EH36鋼焊接接頭在實(shí)際海水自由腐蝕環(huán)境下的性能和腐蝕斷裂機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用厚度為20 mm的國產(chǎn)EH36鋼軋制鋼板，鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。鋼板開單邊V形坡口，焊接加工及無損檢測由具有海工加工資制的廠商代加工，EH36對(duì)接焊接道次如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表2。

表1 EH36軋制鋼板化學(xué)成分和力學(xué)性能

圖1 對(duì)接焊接道次示意圖

表2 焊接工藝參數(shù)

1.1 EH36鋼焊接接頭腐蝕疲勞試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20120.1—2006《金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗(yàn)》設(shè)計(jì)并制作EH36鋼焊接接頭疲勞試樣，試樣尺寸如圖2所示。使用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)配合腐蝕液槽開展腐蝕疲勞試驗(yàn)，腐蝕槽中的腐蝕介質(zhì)為南海海域海水，試驗(yàn)過程中溫度在20～25 ℃之間。試驗(yàn)疲勞載荷的應(yīng)力比r=0.1，加載頻率f=1 Hz，疲勞載荷波形為正弦波。

圖2 焊接接頭腐蝕疲勞試樣尺寸

1.2 腐蝕疲勞斷口分析試驗(yàn)

采用ZEISS掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭腐蝕疲勞斷口形貌，分析腐蝕疲勞斷裂特征。從腐蝕疲勞斷裂的疲勞試樣上切取長度為1 cm的斷口觀察試樣，使用蒸餾水沖洗試樣表面的浮銹，再將焊接接頭浸入HCl和六次甲基四胺溶液緩蝕劑制備成的除銹液中，采用15 s超聲除銹的方法進(jìn)一步清除腐蝕產(chǎn)物，最后使用無水乙醇脫水處理，裝入密封試樣袋中保存。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 EH36焊接接頭腐蝕疲勞性能

通過實(shí)際海水自由腐蝕疲勞試驗(yàn)，得到了EH36鋼焊接接頭在不同載荷水平下的腐蝕疲勞壽命，見表3。

表3 焊接接頭腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)DNV-RP-C203《Fatigue design of offshore steel structures》標(biāo)準(zhǔn)處理實(shí)際海水自由腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果，得到EH36鋼焊接接頭實(shí)際海水自由腐蝕疲勞S-N曲線?；維-N曲線為：

(1)

表4 S-N曲線方程及常數(shù)

S-N曲線如圖3所示，可以看出，隨著應(yīng)力范圍的增加，EH36鋼焊接接頭腐蝕疲勞壽命顯著降低。

圖3 EH36鋼焊接接頭實(shí)際海水腐蝕疲勞S-N曲線

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DNV-RP-C203中相關(guān)規(guī)定利用存活率修正公式處理測試的S-N曲線：

(2)

試驗(yàn)均值曲線的斜率m=4.115，約等于標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線斜率，標(biāo)準(zhǔn)偏差修正系數(shù)按照“標(biāo)準(zhǔn)偏差已知”的情況選取，c=2.17。修正后的S-N曲線的方程及常數(shù)見表5。

表5 修正后的S-N曲線方程及常數(shù)

對(duì)比修正后的試驗(yàn)腐蝕疲勞S-N曲線和標(biāo)準(zhǔn)腐蝕疲勞S-N曲線，如圖4所示。從圖中可看出，在相同應(yīng)力范圍下的試驗(yàn)結(jié)果修正得到的EH36鋼在南海海水中腐蝕疲勞壽命高于標(biāo)準(zhǔn)模擬海水中腐蝕疲勞壽命。

圖4 EH36鋼焊接接頭腐蝕疲勞性能與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2.2 腐蝕疲勞斷口分析

焊接接頭腐蝕疲勞斷口位置在偏離平行段中心1.5 cm位置，如圖5所示。宏觀斷裂位置說明試樣腐蝕疲勞斷裂在焊接熱影響區(qū)附近。為了探究EH36鋼焊接接頭實(shí)際海水腐蝕疲勞的斷裂機(jī)理，需要通過腐蝕疲勞斷口形貌進(jìn)一步研究。

圖5 焊接接頭腐蝕疲勞試樣斷裂位置

焊接接頭腐蝕疲勞斷口分為裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終瞬斷3個(gè)階段。為了分析EH36鋼焊接接頭實(shí)際海水腐蝕疲勞斷裂過程，探究腐蝕疲勞損傷及斷裂機(jī)理，使用SEM對(duì)焊接接頭腐蝕疲勞斷口進(jìn)行觀察分析。圖6為焊接接頭腐蝕疲勞斷口宏觀形貌特征。從整體上看，裂紋萌生、擴(kuò)展及瞬間斷裂的3個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)腐蝕疲勞斷口的3個(gè)區(qū)域：裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。腐蝕疲勞斷口上有多個(gè)裂紋源區(qū)，裂紋源區(qū)均分布在試樣表面，由于焊接接頭表面與腐蝕介質(zhì)直接接觸，在循環(huán)載荷和腐蝕環(huán)境的共同作用下，焊接接頭表面的腐蝕疲勞損傷加劇，導(dǎo)致焊接接頭表面產(chǎn)生大量的腐蝕坑，形成了多個(gè)疲勞源。在疲勞載荷和腐蝕環(huán)境的持續(xù)作用下，裂紋從各個(gè)疲勞源處不斷擴(kuò)展，最終交匯到一個(gè)截面上形成了平坦的裂紋擴(kuò)展區(qū)。裂紋的不斷擴(kuò)展使得焊接接頭有效截面積不斷減小，最終焊接接頭在疲勞載荷的作用下發(fā)生瞬間斷裂。

圖6 焊接接頭腐蝕疲勞斷口宏觀形貌

2.2.1裂紋源區(qū)

裂紋源區(qū)是腐蝕疲勞裂紋的萌生區(qū)域，是腐蝕疲勞斷裂的起始點(diǎn)[10]。圖7為焊接接頭腐蝕疲勞裂紋源形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)多萌生于焊接接頭表面的腐蝕坑，不同位置的腐蝕坑連接起來邊緣具有明顯的撕裂臺(tái)階形貌特征。

圖7 焊接接頭腐蝕疲勞裂紋源區(qū)形貌

焊接接頭表面在腐蝕介質(zhì)的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的腐蝕坑，腐蝕坑處產(chǎn)生了應(yīng)力集中是裂紋萌生的主要原因。在腐蝕的初期，EH36鋼焊接接頭受到實(shí)際海水的腐蝕的主要作用方式為均勻腐蝕，其中腐蝕產(chǎn)物主要有Fe3O4，F(xiàn)e(OH)3，這些腐蝕產(chǎn)物附著在焊接接頭表面上形成氧化膜。氧化膜在外力的作用下被破壞，暴露出新的金屬基體，新的基體在繼續(xù)受到海水的腐蝕。海水中存在的大量的氯離子被氧化膜吸附，通過擴(kuò)散進(jìn)入到金屬基體中，侵蝕金屬基體形成可溶性的腐蝕產(chǎn)物FeCl2。此時(shí)，金屬表面會(huì)被氯離子侵蝕而形成一個(gè)初始的微小點(diǎn)蝕。由于氯化物易于水解，當(dāng)氫離子和氯離子結(jié)合時(shí)，其內(nèi)部溶液的pH值迅速下降，腐蝕坑內(nèi)溶液環(huán)境呈微酸性，隨著腐蝕時(shí)間的增長，點(diǎn)蝕內(nèi)部的金屬基體被不斷侵蝕，釋放出金屬陽離子(Fe2+)。為了使腐蝕坑內(nèi)的溶液pH值保持穩(wěn)定，在腐蝕坑外的氯離子會(huì)源源不斷地進(jìn)入坑內(nèi)，從而坑內(nèi)的金屬基體作為陽極進(jìn)一步被水解；同時(shí)腐蝕坑最深處受到外界應(yīng)力的作用，疲勞裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致新的金屬基體暴露出來，受到海水中氯離子的腐蝕進(jìn)一步開裂。而上述腐蝕疲勞裂紋源形成過程在焊接接頭表面的任意位置均可產(chǎn)生，但焊接接頭的組織是不均勻的，不同組織的抗腐蝕性能也不盡相同，因此裂紋源總是先出現(xiàn)在抗腐蝕性能較差的熱影響區(qū)；而在熱影響區(qū)內(nèi)不同位置產(chǎn)生的腐蝕坑同時(shí)發(fā)生擴(kuò)展并相互接觸，裂紋源區(qū)因此產(chǎn)生了多個(gè)撕裂棱。

2.2.2裂紋擴(kuò)展區(qū)

在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的作用下，裂紋源區(qū)腐蝕坑產(chǎn)生的多條撕裂棱不斷擴(kuò)展并匯聚成為一條撕裂棱，形成疲勞溝線(圖6)。

在裂紋擴(kuò)展區(qū)可見明顯的疲勞臺(tái)階，說明裂紋擴(kuò)展區(qū)多以穿晶斷裂的主要特征；在疲勞臺(tái)階之間發(fā)現(xiàn)大量垂直于裂紋擴(kuò)展方向的二次裂紋(圖7)。

疲勞臺(tái)階是一系列基本上相互平行的條紋，是疲勞裂紋局部瞬時(shí)前沿線的微觀塑性變形痕跡，其方向與裂紋擴(kuò)展方向垂直，同時(shí)也是判斷疲勞斷裂的一個(gè)基本依據(jù)[11]。由于材料內(nèi)部顯微組織(如晶粒取向、晶界和第二相質(zhì)點(diǎn)等)的差異，裂紋擴(kuò)展可能會(huì)由一個(gè)平面轉(zhuǎn)移至另一個(gè)平面，因此不同區(qū)域的疲勞臺(tái)階分布在高度不同、方向有別的平面上。對(duì)比圖8a和圖8b，在圖8a焊接接頭斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶特征明顯，圖8b焊接接頭疲勞條帶較為模糊。在裂紋擴(kuò)展的過程中，已產(chǎn)生的疲勞條帶受到腐蝕環(huán)境的腐蝕作用，隨著腐蝕時(shí)間的增加，腐蝕條帶特征會(huì)逐漸模糊。圖8a和圖8b中均有大量的二次裂紋，二次裂紋產(chǎn)生的機(jī)理為：在腐蝕疲勞裂紋快速擴(kuò)展過程中，裂紋尖端的應(yīng)力集中顯著。由于金屬基體組織的不均勻，裂紋在遇到塑韌性較差的組織時(shí)金屬基體被嚴(yán)重撕裂，產(chǎn)生了垂直于裂紋擴(kuò)展方向的二次裂紋。

圖8 焊接接頭腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)掃描電鏡形貌

2.2.3瞬間斷裂區(qū)

焊接接頭腐蝕疲勞瞬間斷裂區(qū)存在著大量的韌窩，如圖9所示，斷裂形式為塑性斷裂[12]。隨著裂紋擴(kuò)展，試樣的有效斷面逐漸減小，焊接接頭有效截面上的應(yīng)力不斷增加，在疲勞裂紋擴(kuò)展至有效截面的應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，焊接接頭發(fā)生瞬時(shí)斷裂；而焊接接頭的塑韌性較好，瞬間斷裂部分的斷裂形式為塑性斷裂，斷裂時(shí)在腐蝕疲勞斷口上留下了韌窩痕跡。

圖9 焊接接頭腐蝕疲勞瞬間斷裂區(qū)形貌

3 結(jié)論

(1)EH36鋼焊接接頭實(shí)際海水腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果擬合出的S-N曲線方程為lgN=15.996-4.115lg Δσ；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)修正后得到的S-N曲線方程為：lgN=15.414-4.005lg Δσ；且EH36鋼在實(shí)際海水中的腐蝕疲勞性能優(yōu)于國際標(biāo)準(zhǔn)中其在模擬海水中的腐蝕疲勞性能。

(2)EH36鋼焊接接頭腐蝕疲勞斷口可分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)3個(gè)區(qū)域。腐蝕疲勞過程中，焊接接頭表面的產(chǎn)生了大量的腐蝕坑，腐蝕疲勞裂紋萌生于腐蝕坑中。在疲勞載荷和腐蝕環(huán)境的共同作用下腐蝕疲勞裂紋不斷長大，在裂紋擴(kuò)展區(qū)留下疲勞臺(tái)階和二次裂紋這兩種疲勞斷裂特征。隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，焊接接頭的有效截面積不斷減小，最終無法承受疲勞載荷而發(fā)生瞬間斷裂，斷裂形式主要為塑性斷裂。