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(kāi)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(jìn)而闡述裂紋擴(kuò)展——微量所釋放的能量小于裂紋每擴(kuò)展——微量所需要的能量，裂紋不能自動(dòng)擴(kuò)展。在能量達(dá)到一定的極限后，裂紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)能量減少，即釋放的能量大于裂紋擴(kuò)展所需要的能量，因此裂紋將自動(dòng)擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致脆性破壞發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(jìn)而采取合理的措施來(lái)避免再次發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(yùn)行核電廠預(yù)防焊縫應(yīng)力腐蝕有重要的實(shí)用價(jià)值。

1應(yīng)力腐蝕機(jī)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(guò)渡處發(fā)生開(kāi)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(kāi)裂，然后在較大的應(yīng)力作用下發(fā)生脆性開(kāi)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(kāi)裂的主要原因。因此就腐蝕和脆性開(kāi)裂進(jìn)行深入分析，以便在工程中對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋采取有效的防范措施。

2腐蝕機(jī)理

腐蝕是一種化學(xué)過(guò)程，作為陽(yáng)極的金屬溶解，同時(shí)放出電子，而這些電子由被陽(yáng)極過(guò)程所吸收，這樣就會(huì)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(guò)程。Fe元素在海水中腐蝕時(shí)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：

對(duì)S32750雙相不銹鋼的主要腐蝕形式為點(diǎn)蝕或孔蝕，這種腐蝕分布不均勻，隨機(jī)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(duì)于不同的非金屬夾雜物引起的點(diǎn)蝕程度也不一樣，常見(jiàn)的夾雜物是FeS、MnS等硫化物。晶格缺陷敏感的活性點(diǎn)是指位錯(cuò)露頭、劃傷等鈍化膜的薄弱點(diǎn)。發(fā)生孔蝕時(shí)需要有一個(gè)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(dòng)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(dòng)態(tài)平衡。一般情況下，孔蝕核會(huì)逐漸的長(zhǎng)大。當(dāng)孔蝕核長(zhǎng)大到30μm（臨界尺寸）以上時(shí)，在S32750雙相不銹鋼金屬表面形成宏觀可見(jiàn)是蝕孔。蝕孔又稱(chēng)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(jī)理可以用鼻塞腐蝕電池理論來(lái)解釋?zhuān)紫仍赟32750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(jìn)行。由于腐蝕孔內(nèi)氧消耗補(bǔ)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(kāi)后，存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能量部分被釋放出來(lái)。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(guò)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(dòng)擴(kuò)展。因?yàn)榉ㄌm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(yùn)行過(guò)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(kāi)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(hào)機(jī)組安裝時(shí)，在反法蘭結(jié)構(gòu)增加100mm來(lái)減少應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)更改后在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕。

參考文獻(xiàn)：

[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(kāi)裂及防護(hù)，洛陽(yáng)工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2017年，2期，16-19.