不同焊接工艺对304奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀的影响研究

2023-08-22温志刚程晋宜刘书慧张剑利王炳明

金属加工(热加工) 2023年8期

温志刚，程晋宜，刘书慧，张剑利，王炳明

海洋石油工程（青岛）有限公司山东青岛 266520

1 序言

304奥氏体不锈钢具有优良的塑形性能及较高的抗拉伸能力，同时含有的Ni元素保证了奥氏体的结构稳定性，因此304奥氏体不锈钢在蒸汽、水、大气和氧化性酸等环境中仍展现出优良的抗腐蚀能力[1]。基于上述优点，304奥氏体不锈钢在海洋平台工程中得到了广泛的应用[2]。但是，随着海洋石油、天然气工业的建设，由于恶劣的工作环境以及长期的服役，不锈钢管道等设备事故时常发生。根据对海洋平台设备事故的统计分析，发现事故产生的原因主要是设备受到应力腐蚀作用的影响[3-5]。

作为常见的不锈钢破坏形式，应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking， SCC）具有极大的危害，成为304奥氏体不锈钢事故的主要诱因之一[5]。对于在慢应变速率试验（Slow Strain Rate Test，SSRT）下金属材料SCC的特性研究，一直以来受到了研究人员和工程技术人员的广泛关注，已经针对铸铁、铝合金、不锈钢等 SCC 性能和机理开展了大量研究，其中对于石油、天然气等化工工业用不锈钢的SCC研究极为突出。因此，研究304奥氏体不锈钢慢应变速率的应力腐蚀特性对于海洋石油平台及石油运输管道的设计和事故分析意义重大。

目前，国内外学者已经开展了不少高强度钢及其焊接接头的S C C特性的相关研究，并且取得了众多成果。WANG等[6]指出，在低于-800mV（SCE）的电位下，应力腐蚀开裂归因于氢脆。在-700～-500mV（SCE）的电位内，SCC归因于阳极溶解机制；REBAK等[7]认为穿晶应力腐蚀开裂与氢脆有关。尽管对于 304奥氏体不锈钢的SCC特性已经有了很多研究，但是少有研究保护性气体对304奥氏体不锈钢焊接接头SCC特性影响的文献。为此，本文就304奥氏体不锈钢在两种不同焊接工艺（有空气干扰的焊接条件、无空气干扰的焊接条件）下的SCC特性进行初步研究。

2 试验材料及焊接方法

本次试验材料为304奥氏体不锈钢，其化学成分见表1。分别采取两种不同焊接工艺：有空气干扰的焊接条件、无空气干扰的焊接条件进行试验，基本信息见表2。

表1 304奥氏体不锈钢化学成分（质量分数）（%）

表2 304奥氏体不锈钢的焊接试验

对于不同的焊接工艺，选用的焊接材料型号也有所不同。表3和表4分别给出了两种焊接材料的化学成分和力学性能。其中，GMAW-S焊接方法选用的焊接材料为A5.9 ER308LSi，GMAW-P的焊接方法选用的焊接材料为A5.9 ER308L。

表3 焊接材料的化学成分（质量分数）（%）

表4 焊接材料的力学性能

试件焊接参数见表5。焊前应将坡口清理干净，确保无油污；焊前不需要预热。

表5 试件焊接参数

3 试验方法

3.1 试样制备

将试件焊接接头加工成如图1所示的拉伸试样，为保证每个试样试验结果最小程度地受到外部因素的影响，必须将加工好的试样使用不同粒度的SiC砂纸进行打磨并抛光，以降低试样表面质量对试验结果的影响。抛光后分别使用丙酮、酒精溶液将试样进行超声波清洗后吹干备用。

图1 慢应变速率拉伸试样

慢应变速率应力腐蚀试验机（CORTEST）由载荷机架、环境容器、集成式计算机控制系统、DCPD裂纹开裂速度自动测试系统及相应附件组成（见图2）。慢应变速率应力腐蚀试验机的载荷机架可保证慢拉伸测试的准确性和灵活性，最大拉伸载荷为50kN。拉伸速率为1×10-2～1×10-6mm/s，拉伸速度连续可调。

图2 慢应变速率试验机

3.2 试验程序

慢应变速率应力腐蚀试验分为两部分：①在空气环境中通过设置慢拉伸试验温度、预载值、预载速度、慢拉伸速度及断裂载荷等参数进行试验，当载荷达到预载荷后开始试验，试样断裂后，测试自动停止。②使用同样的方法在腐蚀环境（0.01mol/L HCl+3.5% NaCl，60℃）下进行试验。

4 试验结果与讨论

4.1 绘制应力-应变曲线

载荷除以原始截面积可得出应力值，标距段位移除以标距可得出工程应变，绘制应力-应变曲线。采用应力腐蚀敏感性Rε来评价抗应力腐蚀性能。Rε越大，抗应力腐蚀性能越好，计算公式为

式中εmax环境——在腐蚀介质中的最大应变（%）；

εmax惰性——在惰性或空气环境中的最大应变（%）。

4.2 伸长率与断面收缩率

将断裂试样对合，测量标距段长度，在不同的方位测量3～5次，取平均值。伸长率A等于标距段伸长量ΔL除以原始标距L0。采用应力腐蚀敏感性RL来评价抗应力腐蚀性能。RL越大，抗应力腐蚀性能越好，计算方法为公式（2），即

式中A环境——在腐蚀介质中的伸长率（%）；

A惰性——在惰性或空气环境中的伸长率（%）。

对试样断裂两边的断口断面分别进行尺寸测量。必须在不同方位测试3～5次，取平均值。断面收缩率Z等于标距段截面积的减小量除以原始截面积。采用应力腐蚀敏感性RA来评价抗应力腐蚀性能。RA越大，抗应力腐蚀性能越好，计算方法为公式（3），即

式中Z环境——在腐蚀介质中的断面收缩率（%）；

Z惰性——在惰性或空气环境中的断面收缩率（%）。

4.3 结果分析

对试件1、试件2的两种慢应变拉伸试样进行空气环境和腐蚀环境（0.01mol/L HCl+3.5%NaCl，60℃）下的慢拉伸速率应力腐蚀试验，对试验结果进行计算对比分析，试验数据符合标准。

304奥氏体不锈钢两种工艺焊接接头的慢应变拉伸曲线如图3所示。

图3 304奥氏体不锈钢两种工艺焊接接头的慢应变拉伸曲线

在0.01mol/L HCl+3.5% NaCl腐蚀介质及60℃环境温度中，试样的拉伸曲线明显不如在空气环境中，最大应力和最大应变都在一定范围内下降，同时试样的塑性阶段也很大程度变短，这是因为Cl-对试样腐蚀的作用，在腐蚀介质和应力的耦合作用下，试样的拉伸性能明显下降。

从图3可看出，304奥氏体不锈钢在有空气干扰和无空气干扰的焊接条件下的空气拉伸曲线比较接近，伸长率几乎一致。而在0.01mol/L HCl+3.5%NaCl腐蚀介质及60℃环境温度中，两种工艺拉伸性能都相应下降，其中无空气干扰的焊接试样抗拉强度和伸长率都出现了显著的下降，有空气干扰的焊接试样不管是抗拉强度和伸长率均下降较少，表明该工艺下的304奥氏体不锈钢焊接接头具有优良的抗Cl-应力腐蚀开裂性能。

304奥氏体不锈钢在空气和腐蚀环境中的慢应变拉伸性能见表6。由表6可知，该结果与拉伸曲线结果相吻合。尽管有空气干扰的焊接条件下具有更高的伸长率和断面收缩率以及最大应变值，表现出较好的性能，但是在腐蚀环境、无空气干扰的焊接条件下，伸长率和断面收缩率以及最大应变值下降得更少，表现出更加优良的抗Cl-应力腐蚀开裂性能。

表6 304奥氏体不锈钢在空气和腐蚀环境中的慢应变拉伸性能

3种不同的算法表征的抗应力腐蚀开裂性能见表7。Rε、RL、RA都是数值越大表明抗应力腐蚀开裂性能越好，这主要依据的是应变、伸长率、断面收缩率计算得到的抗应力腐蚀开裂性能。从表7可发现，无空气干扰的焊接条件的抗应力腐蚀开裂性能优于有空气干扰的焊接条件，这是因为这3种算法依据的是材料的延展性。无空气干扰的焊接条件比有空气干扰的焊接条件使304奥氏体不锈钢焊接接头的抗应力腐蚀开裂性能得到了显著提升。