李川，劉正濤，陳大軍，付揚(yáng)帆

（1.海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，重慶 400000；2. 西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

海洋資源豐富，世界各國為爭(zhēng)奪海洋資源、搶占制海權(quán)，均大力發(fā)展海洋力量，船舶、海上平臺(tái)等海洋裝備的數(shù)量和規(guī)模都在快速增長。這些裝備中，鋼質(zhì)構(gòu)件是最主要的應(yīng)用形式，海洋腐蝕一直是威脅鋼結(jié)構(gòu)使用安全性和使用壽命的重點(diǎn)問題。此外，焊接是鋼結(jié)構(gòu)中最常用的連接方式，可以保證工程構(gòu)件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但接頭焊縫不僅是整個(gè)構(gòu)件力學(xué)性能最薄弱的地方，同時(shí)也是鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下腐蝕最嚴(yán)重的部位，焊縫腐蝕失效帶來的危害不可忽視。因此，焊接接頭的腐蝕與防護(hù)問題成為海洋裝備健康、可持續(xù)發(fā)展過程中面臨的重點(diǎn)問題。本文分析了鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭在海洋環(huán)境中的腐蝕特性，綜述了國內(nèi)外學(xué)者在不同海洋腐蝕環(huán)境下焊接接頭腐蝕機(jī)制及影響因素的研究成果，并總結(jié)了焊接接頭主要的腐蝕防護(hù)方法，對(duì)提高海洋裝備使用安全性和使用壽命有較為重要的借鑒意義。

1 海洋環(huán)境焊接接頭腐蝕特性分析

1.1 海洋腐蝕環(huán)境特點(diǎn)

海洋環(huán)境是腐蝕極為惡劣的自然環(huán)境之一，主要原因在于海水中含有大量穿透力極強(qiáng)的Cl-，很容易穿透金屬表面的鈍化膜等，同時(shí)海水中還含有充足的氧氣、顆粒有機(jī)物以及種類繁多的微生物，共同構(gòu)成了復(fù)雜的腐蝕性電解質(zhì)環(huán)境[1]。海洋環(huán)境沿垂直方向可分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)等5 個(gè)腐蝕區(qū)域，各區(qū)域之間構(gòu)成的腐蝕環(huán)境因素存在較大差異。如陰陽離子組成及含量、含氧量、溫度、pH 值、海洋生物等[2]。其中，海洋大氣區(qū)中的腐蝕介質(zhì)主要含有水蒸氣、O2、N2、CO2、SO2以及懸浮于其中的氯化鹽和硫酸鹽等，環(huán)境條件表現(xiàn)為濕度大、鹽分和溫度高，存在明顯的干濕循環(huán)效應(yīng)。浪花飛濺區(qū)是海洋環(huán)境中腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域，鋼結(jié)構(gòu)在該區(qū)域不僅受到海水劇烈沖擊，而且在與海水的周期性接觸下，干濕交替頻繁，水膜停留時(shí)間長，大量的Cl-、氧氣等構(gòu)成的電解質(zhì)加速了金屬腐蝕速率。潮差區(qū)與浪花飛濺區(qū)相比，海水沖擊較弱，但也隨海水漲落呈現(xiàn)干濕交替，漲潮時(shí)金屬被含氧量充足的海水浸沒，從而受到海水和海浪的共同作用；退潮時(shí)金屬露出海面，表面附著的水膜以及海洋生物可造成氧濃差電池，因此該區(qū)域的腐蝕也很嚴(yán)重。海水全浸區(qū)中的金屬全部浸泡在海水中，受到海水中高含氧、高含Cl-腐蝕介質(zhì)的直接作用，以及海水流動(dòng)、海水溫度變化和微生物附著的共同影響，使海水全浸區(qū)成為金屬腐蝕的重點(diǎn)區(qū)域之一。海底泥土區(qū)主要由海底沉積物和微生物組成，雖然該區(qū)域氧含量較低，但由于海底沉積物具有含鹽度高、電阻率低的特點(diǎn)，加上微生物呼吸產(chǎn)生大量的腐蝕性氣體（如NH3、H2S）等構(gòu)成了良好的電解質(zhì)環(huán)境，均會(huì)加速金屬腐蝕[3]。海洋腐蝕環(huán)境具有影響因素復(fù)雜，腐蝕破壞性強(qiáng)，且不可人為干預(yù)等特點(diǎn)，對(duì)海洋環(huán)境中服役的裝備鋼結(jié)構(gòu)造成極大的腐蝕破壞威脅。

1.2 焊接接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及腐蝕特性

焊接接頭通常由焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)組成，其中焊縫區(qū)是焊接熱量輸入的中心區(qū)域，該區(qū)域材料發(fā)生了劇烈的晶體結(jié)構(gòu)變化、元素?cái)U(kuò)散，甚至發(fā)生了相變，形成新的金屬間化合物，組織結(jié)構(gòu)相較于母材發(fā)生了較大轉(zhuǎn)變。熱影響區(qū)受到低于液相線焊接溫度的熱影響，主要發(fā)生回復(fù)或再結(jié)晶，晶粒尺寸會(huì)發(fā)生一定程度的增大或減小，但物相一般不發(fā)生轉(zhuǎn)變。母材區(qū)則保持初始狀態(tài)，成分組織分布較均勻。因焊接接頭不同區(qū)域之間的化學(xué)成分/微觀組織結(jié)構(gòu)等存在較大差異，導(dǎo)致各區(qū)域之間電化學(xué)電位不同，在局部區(qū)域內(nèi)形成了腐蝕原電池。當(dāng)其處在電解質(zhì)環(huán)境中，將構(gòu)成復(fù)雜的多極電化學(xué)體系，其中低電位的陽極區(qū)優(yōu)先發(fā)生腐蝕，而高電位的陰極區(qū)受到保護(hù)，即為電偶腐蝕。隨著各區(qū)域的電位差增大，電偶腐蝕傾向也隨之增大[4-5]。此外，焊接接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力、氣孔、裂紋等焊接缺陷和優(yōu)先腐蝕區(qū)（如焊縫點(diǎn)蝕）在腐蝕介質(zhì)和外力共同作用下，將誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞腐蝕斷裂等破壞[6]。因此，焊接接頭的焊縫區(qū)/熱影響區(qū)是整個(gè)焊接構(gòu)件防腐蝕的薄弱點(diǎn)，當(dāng)接頭部位發(fā)生了優(yōu)先腐蝕破壞，將威脅到整個(gè)焊接構(gòu)件的使用壽命和使用安全性。

2 焊接接頭海洋腐蝕行為

海洋裝備中，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，在多樣性的海洋腐蝕性電解質(zhì)溶液和海水流動(dòng)沖刷等共同作用下，會(huì)加劇焊接接頭以電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞為主的腐蝕行為。當(dāng)焊接構(gòu)件無防護(hù)措施時(shí)，焊縫區(qū)域?qū)l(fā)生嚴(yán)重的優(yōu)先腐蝕破壞，最終導(dǎo)致構(gòu)件整體失效。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的海洋腐蝕行為做了大量研究，明確了焊接接頭在海洋腐蝕環(huán)境下的腐蝕破壞機(jī)制，為海洋裝備鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)提供了理論依據(jù)。

2.1 電偶腐蝕

電偶腐蝕是2 種及以上電化學(xué)特性不同的材料在腐蝕介質(zhì)中因腐蝕電位差構(gòu)成原電池而發(fā)生的一種電化學(xué)腐蝕行為。焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)在焊接熱作用下發(fā)生了化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，使得各區(qū)域之間的電化學(xué)性能不一致，形成電位差。若接頭處沒有特殊防護(hù)，在海洋等強(qiáng)腐蝕電解質(zhì)環(huán)境中，將構(gòu)成原電池，發(fā)生電偶腐蝕。其中，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)腐蝕電位通常較母材低，作為陽極優(yōu)先腐蝕，而母材則作為陰極受到保護(hù)。Deng 等[7]研究了異種合金鋼焊接接頭分別在模擬海水和模擬生活水中的腐蝕行為，結(jié)果表明，海水的腐蝕特性促進(jìn)了接頭的電偶腐蝕，熱影響區(qū)腐蝕電位最低，腐蝕最嚴(yán)重，其次是母材和焊縫，并且隨著腐蝕介質(zhì)溫度的升高，電偶腐蝕增強(qiáng)。Chaves 等[8]在X65 管線鋼焊接接頭的模擬海水腐蝕試驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)的腐蝕速率遠(yuǎn)大于母材區(qū)和焊縫區(qū)，并隨著浸泡時(shí)間延長，差距逐漸增大，熱影響區(qū)的蝕坑深度最大可達(dá)到母材區(qū)和焊縫區(qū)的2 倍。焊縫附近區(qū)域的腐蝕電位低是由多方面因素決定的，如組織成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等。Han 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，316L 不銹鋼焊接接頭焊縫中不均勻分布的第二相粒子和大量α 鐵素體的存在是導(dǎo)致其在3.5%NaCl 溶液中耐蝕性降低的主要原因。此外，電偶腐蝕中陰陽極面積比對(duì)各區(qū)域的腐蝕速率有較大影響，隨陰陽極面積比增大，陰極和陽極的腐蝕速率都增大，但陽極的增大程度始終高于陰極[10]。焊接結(jié)構(gòu)的焊縫面積遠(yuǎn)通常小于母材面積，會(huì)形成大陰極小陽極的電偶對(duì)，這加劇了焊縫電偶腐蝕的破壞程度。

海洋環(huán)境中影響焊接接頭腐蝕速率的因素有Cl-、pH 值和溫度等，其中Cl-半徑較小，容易穿透金屬表面的鈍化膜，繼而引發(fā)聚集性點(diǎn)蝕，加速腐蝕速率。Dhanapal 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，低pH 值和高Cl-濃度的腐蝕環(huán)境會(huì)加速焊接接頭的電偶腐蝕，并且隨浸泡時(shí)間延長，腐蝕速率加快。pH 值持續(xù)降低可能還會(huì)引起焊接接頭不同區(qū)域的電化學(xué)陰陽極反轉(zhuǎn)。Henimingsen 等[12]在研究不同pH 值下碳鋼焊接接頭的電偶腐蝕行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著腐蝕介質(zhì)中的pH 值減小，電偶對(duì)中的陽極由熱影響區(qū)改變?yōu)槟覆膮^(qū)，但由于母材面積遠(yuǎn)大于焊縫，形成了大陽極小陰極的電偶腐蝕模式，因此母材的腐蝕速率較小。腐蝕環(huán)境溫度對(duì)電偶腐蝕的影響也較大，通常隨溫度升高，焊接接頭腐蝕電流增大，對(duì)電偶腐蝕有促進(jìn)作用[13-14]。除了以上因素以外，海洋環(huán)境中大量的微生物也對(duì)焊接接頭的電偶腐蝕起到推動(dòng)作用。這些微生物通常由各種類型的腐蝕性細(xì)菌組成，這些細(xì)菌通過與金屬表面接觸、反應(yīng)后，分泌出胞外聚合物（EPS），在金屬表面形成生物膜，并參與到電化學(xué)反應(yīng)中，最終使得焊接接頭的電偶腐蝕速率加快[15]。

2.2 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的腐蝕行為。焊接接頭中的殘余應(yīng)力、氣孔、微裂紋等是引發(fā)應(yīng)力腐蝕的潛在隱患，而海水中高含氧、高含Cl-的強(qiáng)腐蝕環(huán)境以及海水沖擊等多種因素是導(dǎo)致焊接構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的最主要原因。廖柯熹等[16]采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)方法對(duì)比研究了X65 鋼焊接接頭在空氣及模擬淺表海水環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕性能，結(jié)果表明，接頭試樣在模擬淺表海水中的伸長率為 14.6%～15.8%，遠(yuǎn)小于在空氣中的22.3%。試樣在空氣中的斷裂為韌性斷裂，而在淺表海水環(huán)境中，試樣的斷裂為韌性斷裂與脆性斷裂的混合斷裂。通過計(jì)算得出，焊接接頭試樣在模擬淺表海水中的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)達(dá)到29.1%～34.5%，具有較高的應(yīng)力腐蝕傾向。主要原因在于，海水中大量的Cl-加劇了焊接接頭的腐蝕速率，導(dǎo)致焊接接頭的斷裂失效風(fēng)險(xiǎn)增加。海水中不同區(qū)域的含氧量不同，還會(huì)誘發(fā)焊接接頭不同的腐蝕機(jī)制，應(yīng)力腐蝕敏感性存在差異。研究表明[17]，在深海環(huán)境中，含氧量較低，焊接接頭的陽極氧還原反應(yīng)受到抑制，但促進(jìn)了析氫反應(yīng)，氫滲透到接頭內(nèi)部，容易產(chǎn)生氫脆或氫致裂紋。接頭腐蝕速率較低，但應(yīng)力腐蝕敏感性明顯提高，而淺海環(huán)境中含氧量高，焊接接頭以陽極還原反應(yīng)為主，雖腐蝕速率較深海區(qū)大，但應(yīng)力腐蝕開裂的傾向相對(duì)較小。因此，無論是深海還是淺海環(huán)境中，接頭焊縫處均優(yōu)先腐蝕，并成為應(yīng)力腐蝕裂紋萌生和發(fā)展的主要區(qū)域。Wan 等[18]研究了氫在模擬深海環(huán)境下對(duì)X65 鋼焊接接頭應(yīng)力腐蝕行為的影響，結(jié)果表明，加氫使接頭變脆，易形成微裂紋，同時(shí)還降低了焊縫的腐蝕電位和電荷轉(zhuǎn)移電阻，在拉應(yīng)力作用下，極易誘發(fā)接頭應(yīng)力腐蝕開裂。陰極保護(hù)是海洋鋼結(jié)構(gòu)常用的腐蝕防護(hù)方法，但陰極保護(hù)電位對(duì)焊接接頭的氫脆敏感性有較大影響。陳祥曦等[19]研究表明，隨陰極保護(hù)電位負(fù)移，E460 鋼在海水中的氫脆敏感性增大，當(dāng)陰極保護(hù)電位達(dá)到-950 mV 時(shí)，接頭氫脆系數(shù)增加至32.04%，斷口形貌表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征，增大了其應(yīng)力腐蝕開裂傾向。但也有研究表明[20]，極負(fù)陰極保護(hù)電位（-1 200 mV 和-1 400 mV）下的SUS301L不銹鋼焊接接頭在3.5% NaCl 溶液中具有較高的氫原子溶解度和較低的氫脆敏感性，接頭焊縫的應(yīng)力腐蝕敏感性僅為母材的1/2。因此，在實(shí)際工況下，需針對(duì)不同材料選擇合適的陰極保護(hù)電位范圍，才能最大限度降低焊接接頭的應(yīng)力腐蝕。此外，環(huán)境溫度也會(huì)影響焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂行為。Fu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，AISI301L 不銹鋼焊接接頭在3.5% NaCl 溶液中的應(yīng)力和應(yīng)變隨溫度的升高而減小。當(dāng)腐蝕介質(zhì)溫度低于40 ℃時(shí)，焊接接頭的腐蝕機(jī)制為陽極溶解；當(dāng)腐蝕介質(zhì)溫度高于40 ℃后，氫誘導(dǎo)的應(yīng)力腐蝕敏感性大大提高，焊接接頭腐蝕機(jī)制為陽極溶解和氫致開裂，具有較高的應(yīng)力腐蝕傾向。以上研究表明，海洋環(huán)境會(huì)加劇鋼質(zhì)焊接接頭的氫致應(yīng)力腐蝕開裂行為，應(yīng)從減少接頭焊接缺陷、降低氫脆敏感性和選擇合適的陰極保護(hù)電位等方面緩解焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕傾向。

2.3 腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是在腐蝕介質(zhì)和交變載荷的共同作用下發(fā)生的腐蝕行為。焊接接頭在海水腐蝕和波浪的循環(huán)沖擊作用下，極易誘發(fā)腐蝕疲勞破壞。Han 等[22]對(duì)比了EH36 鋼焊接接頭分別在空氣、海水和陰極保護(hù)等不同環(huán)境下的疲勞性能，結(jié)果表明，接頭在海水中產(chǎn)生的腐蝕凹坑引起了應(yīng)力集中，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生，循環(huán)2×106次的疲勞強(qiáng)度較空氣和陰極保護(hù)下降了41.3%。陰極保護(hù)可以提高接頭的疲勞壽命，但在不同應(yīng)力范圍內(nèi)，氫脆對(duì)陰極保護(hù)下接頭疲勞裂紋擴(kuò)展的影響不同。試驗(yàn)表明，陰極保護(hù)下接頭試樣的疲勞壽命與空氣中接頭試樣的疲勞壽命之比從64%（Δσ=450 MPa）提高到了93%（Δσ=390 MPa）。其原因是，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力較低時(shí)，接頭焊縫處于彈性狀態(tài)，削弱了氫脆的影響；當(dāng)循環(huán)應(yīng)力較高時(shí)，氫脆加劇了局部變形區(qū)的裂紋擴(kuò)展，降低了疲勞壽命。腐蝕介質(zhì)、焊接殘余應(yīng)力、循環(huán)載荷都是引發(fā)腐蝕疲勞的重要因素，但在腐蝕疲勞不同時(shí)期，影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要因素不同。Xu 等[23]建立了海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)模型，并分析了海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理。研究得出，在裂紋擴(kuò)展初期，焊接接頭腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率主要受腐蝕作用控制，而在裂紋擴(kuò)展后期，循環(huán)載荷的影響更大。海洋環(huán)境的強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)是焊接接頭早期疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的主要推動(dòng)力，在疲勞裂紋擴(kuò)展后期，加載頻率和有效應(yīng)力比分別影響腐蝕疲勞裂紋尖端保護(hù)膜的破裂周期和腐蝕裂紋增量的長度，焊接殘余應(yīng)力可以提高循環(huán)加載的有效應(yīng)力比，因此焊接殘余應(yīng)力的存在加快了焊接接頭的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率。對(duì)于海洋裝備焊接構(gòu)件而言，通過熱處理降低接頭殘余應(yīng)力或選擇合適的陰極保護(hù)，均可有效提高腐蝕疲勞壽命。此外，由于疲勞裂紋通常起源于構(gòu)件表面，通過焦油環(huán)氧樹脂涂層、低塑性拋光和熱障涂層等表面處理，也可以大大提高焊接接頭的腐蝕疲勞壽命[24]。

3 焊接接頭腐蝕防護(hù)方法

在海洋環(huán)境服役的裝備中，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用非常廣泛，但焊接接頭不僅是力學(xué)性能的薄弱點(diǎn)，同時(shí)也是耐腐蝕性最差的區(qū)域，很容易因腐蝕破壞導(dǎo)致構(gòu)件失效，焊接結(jié)構(gòu)的耐蝕性決定了整個(gè)構(gòu)件在海洋環(huán)境中的服役壽命。因此，有必要對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行特殊的腐蝕防護(hù)處理，尤其是針對(duì)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕防護(hù)，以保證焊接結(jié)構(gòu)的安全性[25]。當(dāng)前，針對(duì)焊接結(jié)構(gòu)接頭腐蝕防護(hù)的措施主要有添加合金元素、焊接工藝優(yōu)化、熱處理、表面強(qiáng)化、涂料及金屬涂層等。這些方法主要從以下方面對(duì)焊接接頭進(jìn)行腐蝕防護(hù)：提高接頭焊縫的組織結(jié)構(gòu)均勻性、減少焊接缺陷，縮小焊接接頭各區(qū)域的電化學(xué)性能差異，抑制局部腐蝕和應(yīng)力集中；通過在表面生成鈍化膜或涂覆防腐涂層，將腐蝕介質(zhì)與金屬基體物理隔絕開，達(dá)到防腐目的；采用陰極保護(hù)，即犧牲陽極或外加電流方法，使接頭焊縫處于高電位，避免優(yōu)先腐蝕。

3.1 添加合金元素

合金元素的作用：優(yōu)化接頭焊縫組織，提高焊縫區(qū)的自腐蝕電位，減小腐蝕傾向；在接頭表面生成致密腐蝕膜，物理隔絕腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步接觸金屬基體，從而起到保護(hù)焊縫的作用。有研究表明[26]，在鋼結(jié)構(gòu)焊縫中加入Ni、Cr、Cu 和Mo 等合金元素后，可在表面生成致密的腐蝕產(chǎn)物膜，對(duì)腐蝕介質(zhì)具有較好的屏蔽作用，可以有效保護(hù)焊縫。陳慧等[27]研究得出，增加焊縫中的Cu 含量，有利于得到均勻細(xì)小的組織，并減少晶界析出相，從而提高焊縫金屬的自腐蝕電位，減小腐蝕傾向。此外，在焊縫表面生成了更致密的腐蝕產(chǎn)物，可增強(qiáng)抗點(diǎn)腐蝕能力。但合金元素含量過高不但起不到保護(hù)作用，可能還會(huì)加劇焊縫的腐蝕破壞。Zhang 等[28]研究了Ni 含量對(duì)低合金鋼焊接接頭在熱帶海洋大氣環(huán)境下的耐蝕性能的影響，結(jié)果表明，隨著接頭內(nèi)Ni 含量的增加，熔合線區(qū)的電化學(xué)活性增強(qiáng)，局部電偶腐蝕效應(yīng)增強(qiáng)，過量的Ni 含量不利于提高焊接接頭耐蝕性，Ni 的優(yōu)選含量應(yīng)與母材中的含量一致。因此，在焊縫合金成分優(yōu)化時(shí)，應(yīng)注意把控各元素含量，充分發(fā)揮合金元素對(duì)金屬基體的腐蝕防護(hù)作用。

3.2 焊接工藝及熱處理

當(dāng)焊接材料和焊接方法確定后，焊接參數(shù)優(yōu)化和焊后熱處理是優(yōu)化焊縫組織、減少焊接缺陷的主要手段。焊縫內(nèi)形成大量細(xì)小均勻的多邊形鐵素體有利于提高腐蝕電位，抑制接頭電偶腐蝕，同時(shí)還可以顯著改善腐蝕產(chǎn)物膜的致密性，提高對(duì)基體的保護(hù)作用。通過焊后熱處理還能極大地消除焊接殘余應(yīng)力，對(duì)于減小應(yīng)力腐蝕敏感性、降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率具有突出效果[29]。Zhao 等[30]研究了不同熱輸入對(duì)X80 管線鋼焊接接頭耐蝕性的影響，結(jié)果表明，增大焊接熱輸入有利于提高接頭的耐蝕性。其中，細(xì)晶熱影響區(qū)的耐蝕性最高，其次是焊縫區(qū)和粗晶熱影響區(qū)。Lu 等[31]研究表明，增大焊接熱輸入有利于減少焊縫根部的針狀鐵素體數(shù)量，促使形成更多均勻細(xì)小的不規(guī)則多邊形鐵素體。此外，增大熱輸入使焊縫金屬表面晶粒取向?yàn)閧101}‖RD-TD，從而降低表面能，以上結(jié)果均有利于增強(qiáng)焊縫耐蝕性能。Alizadeh 等[32]、Bordbar等[33]通過焊后熱處理來改善鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的顯微組織，獲得了均勻分布的多邊形鐵素體，并減少了貝氏體的體積分?jǐn)?shù)，改善了腐蝕膜的致密性，從而提高了腐蝕膜對(duì)基體的保護(hù)性，使焊接接頭的耐蝕性顯著提高。Ravi 等[34]對(duì)HLSA-80 高強(qiáng)鋼焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理發(fā)現(xiàn)，焊接接頭的殘余拉應(yīng)力顯著降低，改善了焊接接頭的疲勞性能，降低了氫脆敏感性，同時(shí)還減小了焊接接頭的電化學(xué)腐蝕傾向。Moon 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過550 ℃熱處理后，RE36 鋼焊接接頭各區(qū)域之間的電位差減小，降低了焊接接頭發(fā)生電偶腐蝕的傾向。優(yōu)化焊接工藝和焊后熱處理是焊接構(gòu)件最常用的強(qiáng)化方法，對(duì)于提高其力學(xué)性能、耐蝕性能等效果突出。

3.3 表面強(qiáng)化

表面強(qiáng)化主要是通過機(jī)械沖擊、超聲沖擊等方法對(duì)焊接接頭表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，使表面晶粒細(xì)化、缺陷密度降低，減小殘余應(yīng)力，避免應(yīng)力集中和裂紋萌生、擴(kuò)展等，從而提高整個(gè)焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能和抗腐蝕疲勞性能。李東東[36]利用超聲沖擊對(duì)Q345qD 鋼焊縫進(jìn)行強(qiáng)化處理后，使焊縫兩側(cè)殘余應(yīng)力消除200%以上，改善了焊趾處的應(yīng)力集中。此外，還使接頭表面晶粒得到細(xì)化，并減少了氣孔、疏松、裂紋等缺陷，在以上因素的共同作用下，焊接接頭的腐蝕速率顯著降低。Lu 等[37]對(duì)304 不銹鋼接頭進(jìn)行表面噴丸處理后，表面晶粒明顯細(xì)化，表面硬度顯著提高，同樣有利于改善應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。Knysh等[38]對(duì)15KhSND 鋼焊接接頭進(jìn)行了高頻機(jī)械沖擊硬化處理，并開展了1 200 h 的中性鹽霧加速試驗(yàn)和循環(huán)2×106次的疲勞性能測(cè)試。結(jié)果表明，機(jī)械沖擊在接頭試樣表面形成了一層塑性變形金屬層，使其疲勞強(qiáng)度提高了25 %，疲勞壽命提高了近10 倍，但該強(qiáng)化層并不能有效提高金屬表面的耐蝕性。表面機(jī)械強(qiáng)化方法對(duì)焊接構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、尺寸等有一定限制，還無法大面積應(yīng)用在大型海上裝備上。

3.4 防腐涂層

為提高鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭在海洋環(huán)境中的耐蝕性能，當(dāng)前最普遍、最直接有效的方法就是在金屬構(gòu)件表面涂覆/制備特殊防腐涂料或金屬涂層。其防腐蝕機(jī)制主要涵蓋以下幾個(gè)方面：物理屏蔽作用，涂層阻止腐蝕介質(zhì)與金屬基體接觸，從根源上解決金屬腐蝕問題；電阻效應(yīng)，具有較高阻抗模值的涂層可減緩電化學(xué)反應(yīng)所形成的離子擴(kuò)散速率，使電化學(xué)過程受阻；緩蝕作用，從涂層中解離出的緩蝕分子或離子在金屬表面形成鈍化膜，使陽極電位正移，達(dá)到延緩腐蝕的作用；陰極保護(hù)作用，在涂層中加入活潑金屬，使其作為陽極優(yōu)先發(fā)生腐蝕，而基體金屬作為陰極受到保護(hù)[39-40]。

當(dāng)前，常用于海洋重防腐涂料的基體樹脂主要包括聚氨酯、氟碳樹脂和環(huán)氧樹脂等。楊耀輝等[41]以雙酚A(E-20)和雙酚F(E-58)共混樹脂為環(huán)氧涂料的基礎(chǔ)樹脂，酚醛胺為環(huán)氧涂料的固化劑，制備了一種適用于海洋腐蝕環(huán)境的環(huán)氧涂料。經(jīng)測(cè)試表明，該涂料具有優(yōu)異的耐海水浸泡和耐陰極剝離性能。Elhalawany 等[42]將聚苯胺和納米二氧化硅1∶1 混合，制成了一種耐酸耐堿能力較強(qiáng)的涂料，可以對(duì)基體金屬起到較好的腐蝕防護(hù)。隨著涂層防護(hù)技術(shù)的不斷提高和完善，尤其針對(duì)海洋復(fù)雜腐蝕環(huán)境中服役的鋼結(jié)構(gòu)，涂層逐漸由單一防腐性能向自愈合、耐沖刷、耐高溫等特殊功能方向發(fā)展。葉育偉等[43]在環(huán)氧涂層中加入了含緩蝕劑BTA 的多孔結(jié)構(gòu)石墨烯，發(fā)現(xiàn)涂層可實(shí)現(xiàn)自修復(fù)能力，相較于純環(huán)氧涂層，在3.5%NaCl 溶液中的長期防護(hù)性能大大提高。

金屬涂層與涂料的涂覆方式不同，其主要采用電鍍、滲鍍、噴涂、氣相沉積等方法在金屬表面制備金屬保護(hù)涂層，該涂層結(jié)合了物理屏蔽作用和陰極保護(hù)作用的雙重保護(hù)手段，改善基體金屬材料的耐蝕性能，防腐蝕性能提升明顯。王珂等[44]采用電弧噴涂方法制備了一種Al-Zn-Si 合金封孔涂層，并在鹽水全浸實(shí)驗(yàn)和中性鹽霧實(shí)驗(yàn)中模擬涂層海洋環(huán)境耐蝕性能，結(jié)果表明，該涂層在電化學(xué)腐蝕過程中具有較正的自腐蝕電位和較小的腐蝕電流密度，且封孔處理后的涂層具有自修復(fù)作用，可通過犧牲陽極作用和腐蝕膜的屏蔽作用為基體提供長效的腐蝕防護(hù)。Zhang 等[45]通過火焰噴涂制備出一種非晶/納米晶的鐵基涂層，該涂層在3.5% NaCl 溶液中的測(cè)試結(jié)果表明，其腐蝕電位和耐點(diǎn)蝕保護(hù)電位均高于基體，在模擬海洋環(huán)境中具有良好的耐點(diǎn)蝕性能。

綜上所述，無論是有機(jī)涂料還是金屬涂層，均能提高鋼結(jié)構(gòu)的海洋防腐性能，但需針對(duì)不同構(gòu)件和不同的防腐蝕要求選擇合適的防腐涂層技術(shù)。涂料適合防護(hù)面積較大、精密度要求不高且腐蝕環(huán)境相對(duì)簡單的金屬構(gòu)件，而金屬涂層制備工藝較復(fù)雜，成本較高，適合于服役環(huán)境較復(fù)雜、耐蝕性要求高的精密零件。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭因各區(qū)域的化學(xué)成分和組織不均勻性以及焊接缺陷的存在，促使其在高含氧、高含Cl-以及干濕交替、海水沖擊等復(fù)雜海洋環(huán)境的綜合作用下，極易發(fā)生以電化學(xué)腐蝕為主的腐蝕破壞行為，降低了鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)的整體使用壽命。焊接接頭的海洋腐蝕問題受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，通過大量試驗(yàn)研究了接頭各區(qū)域的腐蝕機(jī)制及其影響因素，并提出了焊縫合金化、焊接工藝優(yōu)化、熱處理、表面強(qiáng)化和防腐涂層等一系列防護(hù)措施，對(duì)提高海洋裝備鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)耐蝕性有極大推動(dòng)作用。當(dāng)前針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭海洋腐蝕的研究還存在以下問題。

1）實(shí)際的海洋使役工況錯(cuò)綜復(fù)雜、變化無常，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難度較大，大多數(shù)研究仍集中在模擬海洋腐蝕環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室的研究成果在真實(shí)海洋環(huán)境下的適用性待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2）目前還沒有針對(duì)焊接接頭海洋腐蝕的特殊防護(hù)方法，合金化、焊接工藝優(yōu)化等均是從優(yōu)化焊縫組織、減少焊接缺陷出發(fā)提高自身耐蝕性，但只能減緩焊縫腐蝕速度，難以達(dá)到與母材同等耐腐蝕效果，而施加涂層或陰極保護(hù)則是依靠外物進(jìn)行保護(hù)，受外部環(huán)境因素的影響更大，難以達(dá)到長效防護(hù)要求。

針對(duì)以上問題，研究人員還需在實(shí)際海洋工況下對(duì)焊接接頭腐蝕問題開展深入探討，并加強(qiáng)防護(hù)手段的研究與開發(fā)，促進(jìn)海洋裝備防腐技術(shù)積極正向發(fā)展。