不同焊接工藝對304奧氏體不銹鋼焊接接頭應力腐蝕的影響研究

溫志剛，程晉宜，劉書慧，張劍利，王炳明

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

304奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的塑形性能及較高的抗拉伸能力，同時含有的Ni元素保證了奧氏體的結(jié)構穩(wěn)定性，因此304奧氏體不銹鋼在蒸汽、水、大氣和氧化性酸等環(huán)境中仍展現(xiàn)出優(yōu)良的抗腐蝕能力[1]。基于上述優(yōu)點，304奧氏體不銹鋼在海洋平臺工程中得到了廣泛的應用[2]。但是，隨著海洋石油、天然氣工業(yè)的建設，由于惡劣的工作環(huán)境以及長期的服役，不銹鋼管道等設備事故時常發(fā)生。根據(jù)對海洋平臺設備事故的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)事故產(chǎn)生的原因主要是設備受到應力腐蝕作用的影響[3-5]。

作為常見的不銹鋼破壞形式，應力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking， SCC）具有極大的危害，成為304奧氏體不銹鋼事故的主要誘因之一[5]。對于在慢應變速率試驗（Slow Strain Rate Test，SSRT）下金屬材料SCC的特性研究，一直以來受到了研究人員和工程技術人員的廣泛關注，已經(jīng)針對鑄鐵、鋁合金、不銹鋼等 SCC 性能和機理開展了大量研究，其中對于石油、天然氣等化工工業(yè)用不銹鋼的SCC研究極為突出。因此，研究304奧氏體不銹鋼慢應變速率的應力腐蝕特性對于海洋石油平臺及石油運輸管道的設計和事故分析意義重大。

目前，國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了不少高強度鋼及其焊接接頭的S C C特性的相關研究，并且取得了眾多成果。WANG等[6]指出，在低于-800mV（SCE） 的電位下，應力腐蝕開裂歸因于氫脆。在-700～-500mV（SCE） 的電位內(nèi)，SCC歸因于陽極溶解機制；REBAK等[7]認為穿晶應力腐蝕開裂與氫脆有關。盡管對于 304奧氏體不銹鋼的SCC特性已經(jīng)有了很多研究，但是少有研究保護性氣體對304奧氏體不銹鋼焊接接頭SCC特性影響的文獻。為此，本文就304奧氏體不銹鋼在兩種不同焊接工藝（有空氣干擾的焊接條件、無空氣干擾的焊接條件）下的SCC特性進行初步研究。

2 試驗材料及焊接方法

本次試驗材料為304奧氏體不銹鋼，其化學成分見表1。分別采取兩種不同焊接工藝：有空氣干擾的焊接條件、無空氣干擾的焊接條件進行試驗，基本信息見表2。

表1 304奧氏體不銹鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

表2 304奧氏體不銹鋼的焊接試驗

對于不同的焊接工藝，選用的焊接材料型號也有所不同。表3和表4分別給出了兩種焊接材料的化學成分和力學性能。其中，GMAW-S焊接方法選用的焊接材料為A5.9 ER308LSi，GMAW-P的焊接方法選用的焊接材料為A5.9 ER308L。

表3 焊接材料的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表4 焊接材料的力學性能

試件焊接參數(shù)見表5。焊前應將坡口清理干凈，確保無油污；焊前不需要預熱。

表5 試件焊接參數(shù)

3 試驗方法

3.1 試樣制備

將試件焊接接頭加工成如圖1所示的拉伸試樣，為保證每個試樣試驗結(jié)果最小程度地受到外部因素的影響，必須將加工好的試樣使用不同粒度的SiC砂紙進行打磨并拋光，以降低試樣表面質(zhì)量對試驗結(jié)果的影響。拋光后分別使用丙酮、酒精溶液將試樣進行超聲波清洗后吹干備用。

圖1 慢應變速率拉伸試樣

慢應變速率應力腐蝕試驗機（CORTEST）由載荷機架、環(huán)境容器、集成式計算機控制系統(tǒng)、DCPD裂紋開裂速度自動測試系統(tǒng)及相應附件組成（見圖2）。慢應變速率應力腐蝕試驗機的載荷機架可保證慢拉伸測試的準確性和靈活性，最大拉伸載荷為50kN。拉伸速率為1×10-2～1×10-6mm/s，拉伸速度連續(xù)可調(diào)。

圖2 慢應變速率試驗機

3.2 試驗程序

慢應變速率應力腐蝕試驗分為兩部分：①在空氣環(huán)境中通過設置慢拉伸試驗溫度、預載值、預載速度、慢拉伸速度及斷裂載荷等參數(shù)進行試驗，當載荷達到預載荷后開始試驗，試樣斷裂后，測試自動停止。②使用同樣的方法在腐蝕環(huán)境（0.01mol/L HCl+3.5% NaCl，60℃）下進行試驗。

4 試驗結(jié)果與討論

4.1 繪制應力-應變曲線

載荷除以原始截面積可得出應力值，標距段位移除以標距可得出工程應變，繪制應力-應變曲線。采用應力腐蝕敏感性Rε來評價抗應力腐蝕性能。Rε越大，抗應力腐蝕性能越好，計算公式為

式中εmax環(huán)境——在腐蝕介質(zhì)中的最大應變（%）；

εmax惰性——在惰性或空氣環(huán)境中的最大應變（%）。

4.2 伸長率與斷面收縮率

將斷裂試樣對合，測量標距段長度，在不同的方位測量3～5次，取平均值。伸長率A等于標距段伸長量ΔL除以原始標距L0。采用應力腐蝕敏感性RL來評價抗應力腐蝕性能。RL越大，抗應力腐蝕性能越好，計算方法為公式（2），即

式中A環(huán)境——在腐蝕介質(zhì)中的伸長率（%）；

A惰性——在惰性或空氣環(huán)境中的伸長率（%）。

對試樣斷裂兩邊的斷口斷面分別進行尺寸測量。必須在不同方位測試3～5次，取平均值。斷面收縮率Z等于標距段截面積的減小量除以原始截面積。采用應力腐蝕敏感性RA來評價抗應力腐蝕性能。RA越大，抗應力腐蝕性能越好，計算方法為公式（3），即

式中Z環(huán)境——在腐蝕介質(zhì)中的斷面收縮率（%）；

Z惰性——在惰性或空氣環(huán)境中的斷面收縮率（%）。

4.3 結(jié)果分析

對試件1、試件2的兩種慢應變拉伸試樣進行空氣環(huán)境和腐蝕環(huán)境（0.01mol/L HCl+3.5%NaCl，60℃）下的慢拉伸速率應力腐蝕試驗，對試驗結(jié)果進行計算對比分析，試驗數(shù)據(jù)符合標準。

304奧氏體不銹鋼兩種工藝焊接接頭的慢應變拉伸曲線如圖3所示。

圖3 304奧氏體不銹鋼兩種工藝焊接接頭的慢應變拉伸曲線

在0.01mol/L HCl+3.5% NaCl腐蝕介質(zhì)及60℃環(huán)境溫度中，試樣的拉伸曲線明顯不如在空氣環(huán)境中，最大應力和最大應變都在一定范圍內(nèi)下降，同時試樣的塑性階段也很大程度變短，這是因為Cl-對試樣腐蝕的作用，在腐蝕介質(zhì)和應力的耦合作用下，試樣的拉伸性能明顯下降。

從圖3可看出，304奧氏體不銹鋼在有空氣干擾和無空氣干擾的焊接條件下的空氣拉伸曲線比較接近，伸長率幾乎一致。而在0.01mol/L HCl+3.5%NaCl腐蝕介質(zhì)及60℃環(huán)境溫度中，兩種工藝拉伸性能都相應下降，其中無空氣干擾的焊接試樣抗拉強度和伸長率都出現(xiàn)了顯著的下降，有空氣干擾的焊接試樣不管是抗拉強度和伸長率均下降較少，表明該工藝下的304奧氏體不銹鋼焊接接頭具有優(yōu)良的抗Cl-應力腐蝕開裂性能。

304奧氏體不銹鋼在空氣和腐蝕環(huán)境中的慢應變拉伸性能見表6。由表6可知，該結(jié)果與拉伸曲線結(jié)果相吻合。盡管有空氣干擾的焊接條件下具有更高的伸長率和斷面收縮率以及最大應變值，表現(xiàn)出較好的性能，但是在腐蝕環(huán)境、無空氣干擾的焊接條件下，伸長率和斷面收縮率以及最大應變值下降得更少，表現(xiàn)出更加優(yōu)良的抗Cl-應力腐蝕開裂性能。

表6 304奧氏體不銹鋼在空氣和腐蝕環(huán)境中的慢應變拉伸性能

3種不同的算法表征的抗應力腐蝕開裂性能見表7。Rε、RL、RA都是數(shù)值越大表明抗應力腐蝕開裂性能越好，這主要依據(jù)的是應變、伸長率、斷面收縮率計算得到的抗應力腐蝕開裂性能。從表7可發(fā)現(xiàn)，無空氣干擾的焊接條件的抗應力腐蝕開裂性能優(yōu)于有空氣干擾的焊接條件，這是因為這3種算法依據(jù)的是材料的延展性。無空氣干擾的焊接條件比有空氣干擾的焊接條件使304奧氏體不銹鋼焊接接頭的抗應力腐蝕開裂性能得到了顯著提升。

表7 304不銹鋼焊接接頭抗應力腐蝕開裂性能

5 結(jié)束語

對304奧氏體不銹鋼在兩種不同焊接工藝試件下的SCC特性進行分析，發(fā)現(xiàn)試件2具有更好的抗應力腐蝕開裂性能，并且具有更加優(yōu)良的抗Cl-應力腐蝕開裂性能。因此，對于304奧氏體不銹鋼來說，排除空氣干擾的焊接條件是十分必要的。