EH36鋼焊接接頭海水腐蝕疲勞性能及斷裂機制

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任公司，北京 100028; 2. 天津大學, 天津 300354)

0 前言

中國是一個海洋油氣資源豐富的國家，潛在石油儲量約550億噸，天然氣20萬億立方米以上[1]。海洋油氣資源的開發離不開海洋鉆井平臺的建設。海洋深水鉆井平臺暴露在高鹽度海水腐蝕環境中，海水對鋼結構產生嚴重的腐蝕損傷；同時海洋平臺通常要支撐總質量數百噸的各種設備，導致其承受極大的工作應力。腐蝕和疲勞共同作用導致海洋結構件的強度下降、塑性降低、開裂等，影響結構件的可靠性，是海洋鋼結構中最顯著的失效機制[2-3]。因此，使用鋼材構建海洋工程結構和其服役過程中，必須考慮腐蝕疲勞的問題。國內外鋼結構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際海水，研究鋼結構在模擬海水中的腐蝕疲勞性能和機理[4-9]，而關于鋼結構在實際海水環境中的腐蝕疲勞性能和機理的報道較少。

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

1 試驗方法

試驗選用厚度為20 mm的國產EH36鋼軋制鋼板，鋼板的化學成分和力學性能見表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對接焊接道次如圖1所示，焊接工藝參數見表2。

表1 EH36軋制鋼板化學成分和力學性能

圖1 對接焊接道次示意圖

表2 焊接工藝參數

1.1 EH36鋼焊接接頭腐蝕疲勞試驗

根據標準GB/T 20120.1—2006《金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗》設計并制作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機配合腐蝕液槽開展腐蝕疲勞試驗，腐蝕槽中的腐蝕介質為南海海域海水，試驗過程中溫度在20～25 ℃之間。試驗疲勞載荷的應力比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

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超聲除銹的方法進一步清除腐蝕產物，最后使用無水乙醇脫水處理，裝入密封試樣袋中保存。

2 試驗結果與討論

2.1 EH36焊接接頭腐蝕疲勞性能

通過實際海水自由腐蝕疲勞試驗，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結果

根據DNV-RP-C203《Fatigue design of offshore steel structures》標準處理實際海水自由腐蝕疲勞試驗結果，得到EH36鋼焊接接頭實際海水自由腐蝕疲勞S-N曲線。基本S-N曲線為：

(1)

表4 S-N曲線方程及常數

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

圖3 EH36鋼焊接接頭實際海水腐蝕疲勞S-N曲線

根據標準DNV-RP-C203中相關規定利用存活率修正公式處理測試的S-N曲線：

(2)

試驗均值曲線的斜率m=4.115，約等于標準S-N曲線斜率，標準偏差修正系數按照“標準偏差已知”的情況選取，c=2.17。修正后的S-N曲線的方程及常數見表5。

表5 修正后的S-N曲線方程及常數

對比修正后的試驗腐蝕疲勞S-N曲線和標準腐蝕疲勞S-N曲線，如圖4所示。從圖中可看出，在相同應力范圍下的試驗結果修正得到的EH36鋼在南海海水中腐蝕疲勞壽命高于標準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準對比

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附近。為了探究EH36鋼焊接接頭實際海水腐蝕疲勞的斷裂機理，需要通過腐蝕疲勞斷口形貌進一步研究。

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、裂紋擴展和最終瞬斷3個階段。為了分析EH36鋼焊接接頭實際海水腐蝕疲勞斷裂過程，探究腐蝕疲勞損傷及斷裂機理，使用SEM對焊接接頭腐蝕疲勞斷口進行觀察分析。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、擴展及瞬間斷裂的3個階段分別對應腐蝕疲勞斷口的3個區域：裂紋源區、裂紋擴展區和瞬間斷裂區。腐蝕疲勞斷口上有多個裂紋源區，裂紋源區均分布在試樣表面，由于焊接接頭表面與腐蝕介質直接接觸，在循環載荷和腐蝕環境的共同作用下，焊接接頭表面的腐蝕疲勞損傷加劇，導致焊接接頭表面產生大量的腐蝕坑，形成了多個疲勞源。在疲勞載荷和腐蝕環境的持續作用下，裂紋從各個疲勞源處不斷擴展，最終交匯到一個截面上形成了平坦的裂紋擴展區。裂紋的不斷擴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

裂紋源區是腐蝕疲勞裂紋的萌生區域，是腐蝕疲勞斷裂的起始點[10]。圖7為焊接接頭腐蝕疲勞裂紋源形貌，發現裂紋源區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階形貌特征。

圖7 焊接接頭腐蝕疲勞裂紋源區形貌

焊接接頭表面在腐蝕介質的作用下發生電化學反應產生大量的腐蝕坑，腐蝕坑處產生了應力集中是裂紋萌生的主要原因。在腐蝕的初期，EH36鋼焊接接頭受到實際海水的腐蝕的主要作用方式為均勻腐蝕，其中腐蝕產物主要有Fe3O4，Fe(OH)3，這些腐蝕產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，通過擴散進入到金屬基體中，侵蝕金屬基體形成可溶性的腐蝕產物FeCl2。此時，金屬表面會被氯離子侵蝕而形成一個初始的微小點蝕。由于氯化物易于水解，當氫離子和氯離子結合時，其內部溶液的pH值迅速下降，腐蝕坑內溶液環境呈微酸性，隨著腐蝕時間的增長，點蝕內部的金屬基體被不斷侵蝕，釋放出金屬陽離子(Fe2+)。為了使腐蝕坑內的溶液pH值保持穩定，在腐蝕坑外的氯離子會源源不斷地進入坑內，從而坑內的金屬基體作為陽極進一步被水解；同時腐蝕坑最深處受到外界應力的作用，疲勞裂紋擴展導致新的金屬基體暴露出來，受到海水中氯離子的腐蝕進一步開裂。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在抗腐蝕性能較差的熱影響區；而在熱影響區內不同位置產生的腐蝕坑同時發生擴展并相互接觸，裂紋源區因此產生了多個撕裂棱。

2.2.2裂紋擴展區

在循環應力和腐蝕環境的作用下，裂紋源區腐蝕坑產生的多條撕裂棱不斷擴展并匯聚成為一條撕裂棱，形成疲勞溝線(圖6)。

在裂紋擴展區可見明顯的疲勞臺階，說明裂紋擴展區多以穿晶斷裂的主要特征；在疲勞臺階之間發現大量垂直于裂紋擴展方向的二次裂紋(圖7)。

疲勞臺階是一系列基本上相互平行的條紋，是疲勞裂紋局部瞬時前沿線的微觀塑性變形痕跡，其方向與裂紋擴展方向垂直，同時也是判斷疲勞斷裂的一個基本依據[11]。由于材料內部顯微組織(如晶粒取向、晶界和第二相質點等)的差異，裂紋擴展可能會由一個平面轉移至另一個平面，因此不同區域的疲勞臺階分布在高度不同、方向有別的平面上。對比圖8a和圖8b，在圖8a焊接接頭斷口裂紋擴展區的疲勞條帶特征明顯，圖8b焊接接頭疲勞條帶較為模糊。在裂紋擴展的過程中，已產生的疲勞條帶受到腐蝕環境的腐蝕作用，隨著腐蝕時間的增加，腐蝕條帶特征會逐漸模糊。圖8a和圖8b中均有大量的二次裂紋，二次裂紋產生的機理為：在腐蝕疲勞裂紋快速擴展過程中，裂紋尖端的應力集中顯著。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金屬基體被嚴重撕裂，產生了垂直于裂紋擴展方向的二次裂紋。

圖8 焊接接頭腐蝕疲勞裂紋擴展區掃描電鏡形貌

2.2.3瞬間斷裂區

焊接接頭腐蝕疲勞瞬間斷裂區存在著大量的韌窩，如圖9所示，斷裂形式為塑性斷裂[12]。隨著裂紋擴展，試樣的有效斷面逐漸減小，焊接接頭有效截面上的應力不斷增加，在疲勞裂紋擴展至有效截面的應力達到材料的抗拉強度時，焊接接頭發生瞬時斷裂；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形貌

3 結論

(1)EH36鋼焊接接頭實際海水腐蝕疲勞試驗結果擬合出的S-N曲線方程為lgN=15.996-4.115lg Δσ；根據標準修正后得到的S-N曲線方程為：lgN=15.414-4.005lg Δσ；且EH36鋼在實際海水中的腐蝕疲勞性能優于國際標準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、裂紋擴展區和瞬間斷裂區3個區域。腐蝕疲勞過程中，焊接接頭表面的產生了大量的腐蝕坑，腐蝕疲勞裂紋萌生于腐蝕坑中。在疲勞載荷和腐蝕環境的共同作用下腐蝕疲勞裂紋不斷長大，在裂紋擴展區留下疲勞臺階和二次裂紋這兩種疲勞斷裂特征。隨著裂紋的不斷擴展，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生瞬間斷裂，斷裂形式主要為塑性斷裂。