浅谈焊接接头应力腐蚀控制方法

　　摘要：焊接过程引起焊接接头组织和力学性能的不均匀性。本文首先对金属焊接性进行了阐述，重点研究了控制焊接接头应力腐蚀的方法。
　　关键词：焊接接头，应力腐蚀，控制
　　
　　金属材料在拉伸应力和特定的腐蚀环境共同作用下出现的低于共强度极限的破裂现象称为应力腐蚀开裂。应力腐蚀的断口呈脆性，危险性很大。据统计，我国输油干线发生应力腐蚀的事故很多，造成巨大的经济损失。应力腐蚀开裂往往起源于焊接接头区域。但传统应力腐蚀开列的研究工作主要是针对母材，对焊接接头的特殊性注意较少，这与石油管理应力腐蚀开裂的实际情况存在差异，并使石油管理安全性评定和剩余使用寿命预测产生偏差。
　　一、金属焊接性概述
　　金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。根据讨论问题的着眼点不同，焊接性又分为工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性是指特定材料在指定工艺条件下形成优质焊接接头的能力，使用焊接性是指形成的接头适应使用要求的程度，两者都是材料在焊接过程中力学和冶金行为发展变化的结果。自从有焊接工艺出现以来，就随之出现了焊接性问题，随着新的焊接方法的不断涌现，材料制造工艺的不断完善和新材料的出现，以及生产应用对结构越来越高的性能要求，金属焊接性问题不断得到解决又不断涌现。因此，焊接性仍是生产和研究中极为重要的课题之一。
　　1、工艺焊接性分析
　　工艺焊接性中最为重要的问题是各类裂纹，其中以热裂纹和冷裂纹最为普遍，长期以来一直是人们关注的问题。因此，对它们的研究也最多。由于早期冶炼水平有限，钢中的杂质含量较高，焊接热纹是常见的严重缺陷之一。因而关于焊接热裂纹的理论研究较早。可以说人们对热裂纹，尤其是凝固裂纹的产生机理较为清楚，对于与晶间液膜有关的凝固裂纹，钢中的硫含量以及低熔点硫化物起着重要作用，因此，随着冶金水平的提高，钢材中S、P含量不断降低，许多情况下，凝固裂纹的问题已基本解决。
　　随着石油、化工、原子能和航天事业的发展，高温合金、Cr-Ni奥氏体钢和高强铝合金材料得到广泛应用。但这些材料中具有较高的热裂敏感性，因此防止焊接热裂纹再度成为生产中迫切需要解决的问题，例如：奥氏体焊缝具有较高的热裂纹敏感性，故人们常采用有一定量的D铁素体的双相组织来防止热裂纹，但是较多的铁素体要影响钢材的耐蚀性和促进D相产生，引起D相脆化，并影响其高温性能，而奥氏体钢主要用于高温及抗腐蚀条件下的，所以对于奥氏体钢焊缝，很难通过调整焊缝的化学成分来防止凝固裂纹的产生。研究表明，可以能过辅助热源的应用来解决这一些问题。功率大小与能量密度合适的辅助热源，施加位置合适时，可以有效降低焊接在凝固过程中所受的拉伸应变，从而从力学角度起到防止凝固裂纹产生的效果。
　　焊接冷裂纹问题是随着钢材强度级别的提高出现的，研究表明，冷裂纹产生的三大要素是钢种的淬硬倾向、接头氢含量，人们已经可以从不同角度解决这一焊接问题，从冶金方面看，通过冶炼技术不断提高和轧制设备不断完善，已经开发了微合金化控轧钢等。从工艺方面来看，如何采用低氢焊接材料，低氢焊接工艺，焊前预热，焊后除氢处理等，必要时可采用异种焊接材料进行焊接。
　　2、使用焊接性研究
　　使用焊接性中，热影响区的淬火硬化和退火软化是人们比较熟悉的问题。
　　近年来，M-A组元引起的低合金高强钢焊接热影响区组织脆化问题十分显著，M-A组元在中等冷速最易产生，当它存在时，成为潜在的裂纹源，促使材料脆人，解决该组元引起的脆化问题，无非从工艺和冶金两方面入手，首选是控制焊接线能量，使热输入尽可能低，母材的低Si化也能减少M-A组元，另外，中温回火对M-A组元有很好的改善效果。
　　对于高强钢来说，工作条件的恶化，如低温环境、高温、高压等，对焊接材料的强度和接头韧性提出越来越高的要求，一般地说，焊接残余应力对结构的力学状态将产生较大影响，故重要的焊接结接构件都对其残余应力作特殊的考虑，比较彻底的方法是焊后热处理消除残余应力，但应注意焊后热处理可能会降低材料的强度，还可能引起强化相的析出，导致脆化。
　　焊接是一个涉及到高温物理、传热传质、冶金反应、相变的以及残余应力和变形的复杂工艺过程，早期焊接性研究采用理论预测、数值模拟，其仅限于温度和应力应形的范围，随着计算机技术的发展，这一趋势已在迅速改变，在宽广得多的范围内正全面进行预测、模拟和尝试，人们已逐渐认识到预测和模拟作为一种战略性工具对深入理解复杂过程和革新焊接及连接技术的巨大潜力。定量化及模拟尤其是数值模拟是焊接性研究的重要趋势。传统的焊接性研究只有与先进的计算机技术相结合才能满足现代工业的要求，这一点也是焊接性能研究的一个重要趋势。
　　二、焊接接头应力腐蚀的方法
　　1、控制合金元素
　　添加合金元素为了提高钢的性能可以采用添加Nb、Mo、Cr、V等合金元素的方法改善组织，避免粗大的碳化物形成，使之细化和均匀化。添加合金元素Nb可以细化材质的晶粒，采用低P、低Si的钢种，同时加入一定的Mo，可以防止晶界偏析；Mo、Cr、Mn会降低C的扩散速度，可以改变表面电极电位或在H2S溶液中形成致密的钝化膜，从而阻碍氢的扩散进入。而Nb、V会和C形成NbC和V4C3，使碳化物坏化弥散分布。
　　降低有害元素的含量P、S、Si以及As、Sn、Pb、Bi元素具有很强的脆化晶界作用，含量应尽可能低。同时MnS夹杂是氢致裂纹的发源地，P易造成微观偏析，因此，S、P含量更应该降低。
　　2、控制焊接工艺
　　选用合适的焊接材料。一般来讲，根据工作介质的不同，焊缝金属的化学成分和金相组织应尽可能与母材一致，满足性能要求。
　　采用合适的焊接工艺。为防止应力腐蚀开裂，在焊接工艺方面要制订合适的焊接方法、焊围和焊接顺序，过大的线能量会使昌粒粗化，也会大大增加应力腐蚀倾向。要求不发生严重的热影响区硬化、晶粒长大和各种脆化及偏析，同时降低构件的残余应力。如采用多层焊工艺可使熔合区应力腐蚀临界应力场强度因子大于焊缝应力腐蚀临界应力场强度因子，因为多层焊时后一道焊缝对前一道焊缝有热处理作用，前道焊缝焊接热循环作用下，使熔合区粗大组织得以细化从而提高了熔合区的SCC抗力。实践证明，热影响区硬度升高，开裂临界应力就降低，热影响区对应力腐蚀开裂倾向有相当大的影响。
　　焊后热处理。由于受现场条件和成本等限制，管道焊接接头有时带着较高双向（环向和轴向）拉伸残余应力运行，可以采取焊后热处理等工艺措施消除管道焊接接头的残余应力，以提高其应力腐蚀抗力。常用的方法有水冷散热法、感应加热法及背层堆焊法。
　　3、控制介质因素
　　降低介质浓度。在可能的情况下，采取措施降低介质浓度，以阻上应力腐蚀产生，不同的材料在不同的介质浓度有不同的临界浓度。
　　增大介质PH值。随介质的PH值增大，其SCC倾向降低。
　　控制介质温度。在低温和高温时，不易发生SCC，对于不同的钢材发生SCC的上限和下限温度不同。
　　综上所述，为了避免在生产过程中造成无谓的经济损失，我们相关施工人员一定要注意对焊接接头应力腐蚀进行控制，并按要求对管理及时进行全面检查，这样可以全面掌握管道发生应力腐蚀的程序，及时消除隐患。

《浅谈焊接接头应力腐蚀控制方法》

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