双相不锈钢法兰焊接分析

徐井伟　李文伟　王丽思

摘要：根据裂纹能量理论分析S32750双相不锈钢焊缝产生应力腐蚀开裂的能量基础，推导工作应力、残余应力、附加应力和应力的集中导致反法兰焊缝发生应力腐蚀能量关系式。进而阐述裂纹扩展——微量所释放的能量小于裂纹每扩展——微量所需要的能量，裂纹不能自动扩展。在能量达到一定的极限后，裂纹扩展时系统能量减少，即释放的能量大于裂纹扩展所需要的能量，因此裂纹将自动扩展会导致脆性破坏发生应力腐蝕开裂。为了工程质量根据能量理论推导出的能量关系进而采取合理的措施来避免再次发生应力腐蚀开裂。

关键词：应力腐蚀;宏观分析;脆性断裂

重要厂房用水系统采用S32750双相不锈钢管道，其功能是将海水送往凝汽器和辅助冷却水系统，冷却蒸汽和设备。因此分析S32750双相不锈钢的焊缝应力腐蚀在后续在建核电厂和运行核电厂预防焊缝应力腐蚀有重要的实用价值。

1应力腐蚀机理

法兰斜颈母材化学成分和拉伸性能满足S32750材料的规定要求，但冲击性能偏低。法兰在颈部焊接区附近的斜颈过渡处发生开裂，裂纹形成位置是应力集中区。裂纹的起源在反法兰颈部的内表面，裂纹附近存在较多的腐蚀坑。裂纹首先在反法兰斜颈，内表面发生应力腐蚀开裂，然后在较大的应力作用下发生脆性开裂。含S、Cl的腐蚀性介质富集在焊缝附近以及较大的应力作用是法兰发生开裂的主要原因。因此就腐蚀和脆性开裂进行深入分析，以便在工程中对应力腐蚀裂纹采取有效的防范措施。

2腐蚀机理

腐蚀是一种化学过程，作为阳极的金属溶解，同时放出电子，而这些电子由被阳极过程所吸收，这样就会导致金属不断的溶解。阴极反应可以是析氢反应，也可以是吸氧反应或者其他电子吸收的过程。Fe元素在海水中腐蚀时发生的电化学反应过程如下：

对S32750双相不锈钢的主要腐蚀形式为点蚀或孔蚀，这种腐蚀分布不均匀，随机性很大。有研究表明孔蚀优先在敏感钝化金属表面上形成、敏感金属表面为有碳化物析出的晶界、非金属夹杂物、晶格缺陷。对于不同的非金属夹杂物引起的点蚀程度也不一样，常见的夹杂物是FeS、MnS等硫化物。晶格缺陷敏感的活性点是指位错露头、划伤等钝化膜的薄弱点。发生孔蚀时需要有一个诱导期，影响S32750双相不锈钢耐腐蚀性能的重要因素是金属表面钝化膜稳定性和完整性。金属表面钝化膜在海水中处于不断溶解和不断生成的动态平衡状态，当海水中存在活性氯离子大量聚集在非金属夹杂物上，将金属表面的钝化膜上氧原子排挤掉，使局部发生破坏打破动态平衡。一般情况下，孔蚀核会逐渐的长大。当孔蚀核长大到30μm（临界尺寸）以上时，在S32750双相不锈钢金属表面形成宏观可见是蚀孔。蚀孔又称为孔蚀源，孔蚀源一旦形成就可能迅速发展，向金属内部“深挖”，最终形成腐蚀坑。这种“深挖”的机理可以用鼻塞腐蚀电池理论来解释，首先在S32750双相不锈钢表面氧含量是相同的，腐蚀是均匀的，随着腐蚀的进行。由于腐蚀孔内氧消耗补充困难，造成腐蚀坑内部缺乏氧。缺氧使得蚀孔内、外形成氧浓度差电池。其次是金属离子水解溶液酸化，孔蚀电池所产生的腐蚀电流使Cl-向孔内迁移聚集，而Fe2+的水解使孔内溶液酸化，随后致钝电位升高，孔内溶液浓度加大，导电性提高蚀孔内溶液pH值下降。

3脆性断裂能量理论

假设裂纹裂开后，存储的弹性应变能量部分被释放出来。设被释放的能量为U，又由于裂纹出现后有新的表面形成，表面形成过程要吸收能量，设其为W，则其能量的总改变量Ep由下式表示：

裂纹则不能自动扩展。因为法兰是刚性连接，焊接残余应力不能有效的自然释放与泵在运行过程中载荷引起的工作压力相互叠加。导致S32750塑性能力变差，抗脆断能力，抵抗应力腐蚀开裂变低。

综上所述，造成应力腐蚀基本因素是材料在工作条件下韧性不足，在工作应力、残余应力、附加应力和应力的集中导致反法兰焊缝发生应力腐蚀，因此应该在加工制造阶段考虑反法兰焊缝在工作中应力集中。在4号机组安装时，在反法兰结构增加100mm来减少应力集中，结构更改后在后续的运行过程中未出现应力腐蚀。

参考文献：

[1]漆俊俊.双相不锈钢塑性变形及热处理的研究，硕士学位论文，江苏科技大学，2011.

[2]闫红彦，等.焊接接头的应力腐蚀开裂及防护，洛阳工业高等专科学校学报，2017年，2期，16-19.