35CrMo中心管内壁裂纹 应力腐蚀开裂

腐蚀是指金属材料与周围环境作用后发生的材料损坏和变质。 按腐蚀环境分为：化学介质腐蚀，大气腐蚀，海水腐蚀，土壤腐蚀。按作用机理分为：化学腐蚀，电化学腐蚀。按破坏形式分为均匀腐蚀和局部腐蚀。 腐蚀的种类：均匀腐蚀；点腐蚀；晶间腐蚀；缝隙腐蚀；应力腐蚀；氢腐蚀；高温氧化。 1、均匀腐蚀 均匀腐蚀又称全面腐蚀，指在整个金属材料表面比较均匀的发生腐蚀现象，随着时间的推移，材料的厚度逐渐变薄，甚至腐蚀穿透。均匀腐蚀是机械设备在生命周期内发生腐蚀的最基本的形式。在设计过程中选用耐腐蚀材料时，材料的耐均匀腐蚀性能是耐腐蚀性的最基本的性能。均匀腐蚀最明显的特征就是材料的总重损失，即重量减小。 均匀腐蚀总常用的试验方法就是重量法。将材料样品置于试验介质中，经一定时间后测定样品的重量变化，求出腐蚀速度。测定标准为GB/T10124《金属材料实验室均匀腐蚀全浸入试验法》。 2、点腐蚀 钝化处理之所以能抗腐蚀是由于在金属表面形成了一层具有保护性的钝化膜。一旦，这层钝化膜遭到破坏又缺乏自钝化的条件和能力，金属材料就会发生腐蚀。如果腐蚀仅仅发生在机械设备的某些特定点域，并在这些点域逐渐形成向深处发展的腐蚀小坑，而在金属表面的其他大部分表面仍然保持钝性的腐蚀现象就是点腐蚀。 3、晶间腐蚀 晶粒间界是结晶方向不同的晶粒间紊乱错合的界域。它们是金属中各溶质元素偏析或者金属化合物（如碳化物）沉淀析出的区域。在某些腐蚀介质中，晶粒间界可能先行被腐蚀。这种沿着金属材料晶粒间界先行发生的腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的局部破坏现象，就是晶间腐蚀。简言之，晶间腐蚀就是在金属晶粒之间产生的一种腐蚀现象。 晶间腐蚀的原因是晶间贫铬，即在晶格界面上，碳与铬优先生成一种化合物从而导致晶格界面缺少铬形成致密氧化膜。处理的方法：一种是降低材料的碳含量，不致形成碳铬化合物；另外一种添加金属元素，例如铌、钛、钒，其活性优于铬，这些元素先与碳形成化合物。 比如，奥氏体不锈钢板，如果热处理过程不当，就会造成原应在奥氏体固溶的碳化物在奥氏体晶间有碳化铬沉淀析出，即产生敏化现象，造成碳化物临近区域出现贫铬，使奥氏体抗晶间腐蚀能力降低。对于敏化了的不锈钢板可以通过重新固溶处理来消除敏化，恢复材料的抗晶间腐蚀能力。 在奥氏体不锈钢的保存与运输中，严禁奥氏体不锈钢与碳钢接触或混合堆放，以防止奥氏体不锈钢的铁污染。

化工设备一旦遭受腐蚀，不仅会在其色泽、外形以及基本的性能方面发生变化，缩短设备使用寿命，还会对化工企业产品的生产以及资源节约、成本控制等带来不利影响，甚至还有可能造成严重的安全和环境事故。化工设备常见腐蚀及腐蚀原因、腐蚀措施有哪些？快来了解一下吧。 化工设备腐蚀的分类 腐蚀按材料种类分为金属腐蚀和非金属腐蚀。 腐蚀按表面形貌分为全面腐蚀和局部腐蚀；局部腐蚀又有小孔腐蚀、应力腐蚀破裂、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、磨损腐蚀等等。 金属腐蚀按机理可分为物理腐蚀、化学腐蚀、电化学腐蚀等。 物理腐蚀：材料单纯物理作用的破坏，一般是由溶解、渗透引起的，如熔融金属容器的溶解，高温熔盐、熔碱对容器的溶解渗透。 化学腐蚀：金属与非电解质直接发生化学作用引起的破坏，腐蚀过程中没有电流的产生。腐蚀过程是纯氧化-还原反应，腐蚀介质与金属表面的原子直接碰撞而形成腐蚀产物，反应中无电流产生，符合化学动力学规律。 电化学腐蚀：金属与电解质溶液发生电化学作用而引起的破坏。反应过程中有阳极失去电子和阴极获得电子以及电子的流动（电流），历程符合电化学动力学规律。 化工设备腐蚀原因及规律 化工生产过程中存在并产生许多腐蚀性的介质，如酸、碱、盐、水、氧等，这是产生腐蚀的最主要原因。 介质的种类、化学成分、浓度、pH 值、杂质、水分和含氧量都是造成腐蚀的外在原因。介质流动速度愈快，愈易腐蚀，因为介质在流动过程中会冲刷保护膜，产生旋涡、湍流、空泡，引起严重的冲击磨损和空泡腐蚀。 选材不当，如果设备表面接触腐蚀介质，而设备本身又不耐腐蚀，就会产生表面腐蚀，表面越粗糙，越易腐蚀，其现象是泄漏、早期磨损、破坏、发声等。 表面均匀腐蚀有成膜和无膜两种形态，无膜的腐蚀很危险，腐蚀过程以一定的速度进行，这主要是选材错误造成的。成膜的腐蚀，其钝化膜通常具有保护作用的特性，但有些设备所用的材料，如不锈钢、钴、铬合金等其表面的钝化膜在端面摩擦中容易被破坏，在缺氧条件下新膜很难生成，使电偶腐蚀加剧。 缺乏防腐措施或施工质量低劣等，都为腐蚀破坏提供了环境。环境不同，选材不同。在设备的生产过程中往往不能做到兼顾选材和环境腐蚀的一致性，温度、浓度、压力不同，选材不同、腐蚀情况各异，而且施工过程中把关不严、施工质量低劣，腐蚀问题不可避免。 操作中的超温、超压，设备管理不完善，思想不重视，也是产生腐蚀破坏的原因之一。 通常情况下，介质的温度越高，压力越高，腐蚀越快，因为腐蚀是一种化学反应，每升温10℃，腐蚀速度增加1~3 倍。温度升高，扩散速度增大，同时电解液电阻下蚀降，所以使腐蚀电池的反应加快。如果设备端面摩擦剧烈，比压过大，表面光洁度低或者冷却不够以及表面润滑不好则设备在运行过程中产生的摩擦热会加速腐蚀的进行。 化工设备的防腐蚀措施 目前的防腐技术主要有：开发耐蚀材料，表面防蚀技术，电化学保护等。 1）开发耐蚀材料 耐蚀材料的开发研究是防腐蚀技术进步的突破口，人类各个时期的技术进步无不与其息息相关。耐蚀材料主要分为金属材料、高分子材料、无机非金属材料。 金属及合金材料是结构材料中的主体，其中钢铁占据主要地位，但是，钢铁的耐蚀性能具有局限性。具有高性能的合金及有色金属材料的开发和应用发展迅速，在一定程度上解决了局部腐蚀及特殊环境下的腐蚀问题。如含钼高的耐蚀合金，双相不锈钢，高纯铁素体不锈钢，镍基合金，低合金钢，钛及钛合。 耐蚀非金属材料目前国内外耐蚀非金属材料在化工生产中应用非常广泛。非金属材料具有优良的耐蚀性能，而机械性能可以通过增强等途径来弥补，在某些领域已有发展为取代钢材的趋势。现在正在开发的如：耐蚀塑料，玻璃钢，石墨，搪玻璃，工程陶瓷。 2）表面防蚀技术 在现有的防腐蚀手段中，表面耐蚀涂层和金属表面技术的费用占所有防腐蚀费用的87％左右。 采取正确的表面防蚀技术是提高设备使用寿命、减少维修费用以及提高设备管理水平必不可少的途径。同时，采用表面防蚀技术，大大提高了整体材料的耐蚀性能。在化工和石油化工中常用的表面防蚀技术包括涂、衬、镀、渗以及近年发展起来的各种高技术，其中以涂层及衬里应用最广泛。 3）耐蚀涂料 耐蚀涂料的开发一直是人们关注的研究领域，在化学工业中，耐蚀涂料主要用于建筑物、构筑物、装置及贮罐的内外壁及输水、输油、输气管线。据统计，防腐蚀涂层的损坏，其基体表面处理不当约占75％，因此，重视表面处理质量是当务之急。几种有发展前途的涂料，如富锌涂料，重防腐涂料，耐高温涂料，陶瓷类涂料，带锈涂装涂料，氟树脂涂料等等，正是当前国际上研究最热门的涂料。 4）设备表面工程技术 镀锌层的钝化是一个十分活跃的领域，近十年推出的低铬或无铬彩色钝化、黑钝化、军绿钝化及强钝化（含硅树脂或其他树脂的复合钝化层），可使镀锌层在海洋大气、工业大气环境及工业水、江水河水环境中的耐蚀性大大提高。 化学镀是采用金属盐和还原剂在同一溶液中进行自催化氧化还原反应，在固体表面沉积出金属镀层的成膜技术。化学镀镍磷合金及三元镍系合金，产品比电镀产品有更优异的耐蚀性和更大的选择，是目前国内外发展速度最快的表面处理工艺之一。 喷涂。喷涂是利用火焰、等离子、电弧喷涂，在材料和产品上获得金属、合金、无机、有机耐蚀耐磨表面层的一种工艺技术。 化学热处理。化学热处理特别是渗铝、渗铬，近十多年在化工机械防腐蚀上已有大量应用。 磷化。磷化作为涂装的一个重要前处理过程，已有多年的应用。近十多年来，碱金属三元系低温或常温磷化使磷化技术产生质的进步。 5）电化学防腐蚀 电化学保护是指利用外部电流使金属（包括合金）腐蚀电位发生改变以降低其腐蚀速率的防腐蚀技术。电化学保护可分为阴极保护和阳极保护。 电化学保护技术在化工防腐蚀领域中已引起广泛的重视和应用，是一种有效的、既经济又实用的防腐蚀手段。 阴极保护主要用在水和土壤中的金属结构上，但一般必须用于设备结构简单、介质腐蚀性不太强的环境中。阴极保护除可防止一般的均匀腐蚀外，还可以防止一些材料的点蚀、晶间腐蚀、冲击腐蚀、选择性腐蚀等。 阳极保护是将被保护的金属构件与外加直流电源的正极相连，在电解质溶液中使金属构件阳极极化至一定电位，使其建立并维持稳定的钝态，从而阳极溶解受到抑制，腐蚀速度显著降低，使设备得到保护。对于没有饨化特征的金属，不能采用阳极保护。 主要应用在：硫酸生产中的结构物，如碳钢储槽、各种换热器、三氧化硫发生器等。氨水及铵盐溶液中结构物，碳化塔、氨水储槽等。 在强氧化性介质中先考虑采用阳极保护；在既可采用阳极保护，也可采用阴极保护，并且二者保护效果相差不多的情况下，则应优先考虑采用阴极保护；如果氢脆不能忽略，则要采用阳极保护。

本文介绍了建筑钢结构的焊接残余应力测量结果及控制残余应力的意义，以详实的 数据分析了几种可能采用的消应力方法，提出了在建筑钢结构制造中采用振动时效与振动焊接 工艺的建议。 关键词： 建筑钢结构；焊接；残余应力；时效 前言 0 建筑钢结构是否需要和能否进行时效工艺，除热时效外还有什么合适的消应力工艺可用于建筑钢结构，是人们关心的问题。随“奥运”和“世博”工程的推展，我国建筑钢结构制造量近年迅猛上升。出现用钢量达十万吨的单体结构，结构钢强度级别由235Mpa、345Mpa上升到390Mpa 乃至460Mpa，结构件板厚达到80－120mm，或更高。因此，目前的建筑钢结构制造形势对开展建筑钢结构消应力技术应用研究及建立和完善相关的标准是个难得的机会。本文作者根据多年的实践，介绍几个大型钢结构及建筑钢结构工程的焊接残余应力测量及应力消除的结果；以此为基础，提出了在建筑钢结构制造中采用振动时效与振动焊接工艺的建议。 1 建筑钢结构的残余应力 建筑焊接钢结构与一般的焊接构一样，同样存在焊接残余应力。以上海安亭蕴藻浜大桥为 例，钢号为Q345B，σs=345MPa。其先在工厂进行箱型分段焊接，然后在现场进行拼焊。采用盲孔法对拼焊残余应力进行测量，结果如表1： 表1 蕴藻浜大桥现场焊后残余应力 位置 应力Mpa 最大主应力 最小主应力 剪应力 纵向应力 横向应力 上表面埋弧焊纵缝 极值 315 -95 133 77 287 平均值 157 2 78 64 94 下表面手工焊纵缝 极值 81 -74 79 48 -34 平均值 62 -46 54 31 -15 人孔封板手工焊缝 极值 261 94 79 232 133 平均值 184 103 41 173 114 表1 结果表明：下表面焊缝为先焊焊缝，残余应力水平比较低，而后焊接的上表面焊缝的应力水平则很高，个别值接近母材σs，平均值接近或超过σs/2水平；下文表2、3、4的数据也可以证实这种状况。焊接构件由于存在高的拉伸残余应力，且焊缝部位存在热影响区、焊趾缺陷、接头应力集中，形成构件上组织和力学的薄弱部位，有可能导致构件运行时的变形、早期开裂、应力腐蚀、疲劳断裂和脆性断裂。因此，在可能的情况下采用适合的时效工艺以改善组织性能及消除残余应力，将可有效地提高构件的稳定性和安全性及使用寿命。 2 建筑钢结构残余应力的消除工艺 实际上一些高要求的建筑大型焊接钢结构上已采用了时效工艺，包括有技术标准支持的热时效、振动时效、TIG重熔和锤击工艺，以及研发中的振动焊接、超声冲击、爆炸法技术。 2.1 热时效 表2 金茂大厦转换柱热时效消应力效果分析表 残余应力（MPa） 最大主应力 最小主应力 纵向应力 横向应力 热处理前平均值 135 51 58 128 热处理后平均值 79 16 30 64 热处理前后差值 56 35 28 64 变化率（%） 41 68 48 50 对重要焊接构件先进行整体热时效，然后在现场与其它构件进行组合拼焊的工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。上海金茂大厦的钢架采用全焊接结构，在工厂完成零部构件制造、且对受力构件－转换柱先进行整体热时效，然后运现场拼焊。采用盲孔法残余应力测量技术对转换柱热时效工艺效果的评定结果见表2。 目前，热时效仍是一种主流工艺，其具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。一般认为热时效的消应力效果为40－80％，表2的结果符合这个规律；然而对建筑钢结构而言，现场拼焊而产生的残余应力将依然存在于钢结构中，而在现场进一步采用热时效工艺就十分困难了；局部热时效可以降低被处理焊接接头的应力，但加热带边缘会产生新的热处理应力，且局部热时效实施比较困难，能耗很大。因此，需考虑其它补充、替代工艺。 2.2 TIG 重熔 焊趾缺陷是一种焊道融合线上中难以避免的小而尖锐、连续的缺陷，往往成为结构疲劳破坏的裂纹源。常采用TIG 重熔工艺对焊趾进行修整，重建裂纹起裂前的状态，降低由于焊趾缺陷所造成的应力集中现象，以延长了疲劳寿命。同时TIG 重熔也能改善焊缝区的横向残余应力；上海宝冶工程技术公司进行重型门式起重机大梁维修，对其拘束模拟焊接试板焊缝TIG 重熔前后的残余应力，通过X 射线方法进行测量，测定结果见表3。 表3 重熔前后残余应力均值对比（材料：Q345；单位Mpa） 纵向应力 横向应力编号 重熔前 重熔后下降量％ 重熔前 重熔后下降量％ 1 209 199 5.0 56 57 -2.3 2 206 240 -16.4 59 64 -8.0 3 236 213 9.6 -57 29 -150.9 4 265 245 7.7 259 84 67.5 5 189 201 -6.4 206 114 44.6 6 221 219 0.7 105 70 33.4 表4 典型焊接构件振动时效的效果 2.3 振动时效（VSR） 振动时效是对构件施加交变应力，与构件上的残余应力叠加达到材料的屈服应力，发生局部的宏观和微观塑性变形；这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大处和构件的应力集中点，使这里的残余应力得以释放，达到降低和均化残余应力的作用。应用振动时效技术在我国已达25年，相继出台三个技术标准[1]，也已纳入我国建筑钢结构施工规范，技术成熟。由于振动时效经济性好、方法简单、工艺快捷、效果显著、适用面广，且不受构件的大小、重量以及场地的限制， 已广泛应用于机床、起重运输、冶金、化工等制造业，也渗入到核工业（核反应堆内构件、核聚变设备）、磁悬浮交通、宇航等高尖领域。几个典型焊接构件振 动时效的效果分析见表4。 表4 典例皆应用功率不大于2KW的振动时效设备，对一个构件的处理时间一般为20－45分钟，结果表明：振动时效的消应力效果为20－50％；尽管振动时效不具备去氢和恢复塑性的功能，但从尺寸稳定性比较，已达到和超过热时效的水平，振动时效是一种以消应力、提高尺寸稳定性为目标的替代热时效的先进工艺。尽管目前振动时效在建筑钢结构应用尚少， 但根据建筑钢结构的载荷特点与施工要求，振动时效有可能成为今后建筑钢结构消应力的主流工艺之一。 2.4 振动焊接（VW or VCW） 振动焊接又称振动调制焊接、随焊振动，是目前国内外正在研发的新技术；在振动时效标准的附录中，已确认为可与振动时效组合的工艺之一[1]。其不改变原有的焊接工艺；在焊接过程，通过一个几百瓦的小激振器对构件注入频率和振幅可控的振动，即形成振动焊接。这种限幅的振动，势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作用： ⑴ 当焊缝金属在熔融状态下，由于振动使气泡、杂质等容易上浮、排除。 4000 吨级锻机上横梁 Q235 130 吨 29 港口起重机卷筒体 Q345 D1400*13800δ50 30－56 核聚变试验装置底板 304L D7800 δ90 31 300MW 火电机架 20G D2900*3400 22-49 磁悬浮交通功能件 16Mn+软磁钢 3000*500*450 31 ⑵ 在结晶过程振动可细化晶粒，使焊缝的力学性能得到提高。 ⑶温度大于600℃的区域，材料在强度逐步恢复的冷却过程中，伴随振动的热塑性变形，使逐步形成的焊接残余应力得到降低和均化，可减少焊接变形及焊接裂纹的形成。 表5 是对BB503 厚板(90mm)电渣焊采用振动焊接的应力测量结果。BB503 材料的屈服强度为295－315Mpa，试验表明：采用振动焊接（VW）或复合振动焊接（VSR+VW）可明显降低残余应力水平，且接头性能优化，如：侧弯合格率也由原25％上升为75-100％。对Q235材料焊接的H型轻钢（H900X200X6/8，长6m）的试验表明，振动焊接可使焊接变形下降21-32％。 表5 BB503 厚板振动焊接的残余应力测量结果 工艺 最大主应力 最小主应力 纵向应力 横向应力 0.6gVW 极值 209 -92 206 85 平均值 117 -16 109 -8 0.3gVW＋0.6gVSR 极值 81 -121 64 24 平均值 37 -47 28 -39 国内外的研究和实验都表明，振动焊接工艺经济、简便、高效，特别是可以在大型焊接钢结构上实施，振动焊接在降低焊缝残余应力、减少工件变形、提高结构疲劳寿命、提高接头力学性能，即全面提高焊缝质量方面有显著作用。基于振动焊接的优点，在我国重大工程中，对一些采用热时效工艺有困难的结构，已开始试验振动焊接工艺，包括核聚变试验装置、大厚壁高炉炉体、大直径阀体等。若能加强振动焊接在建筑钢结构上的应用试验和技术标准的建设，振动焊接很可能成为补充、替代传统热时效的又一重要工艺。 2.5 超声冲击与锤击 超声冲击消应力技术由乌克兰巴顿焊接研究所提出，近年引入我国，已在北京电视台钢结构立柱上进行过试验。超声冲击消应力工艺的特点是：在超声（≥16KHz）下应用束状冲头，在对焊趾和焊缝表面进行冲击；试验表明： ⑴ 超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，被冲 击的表面会形成压应力，对2～4mm 深度层消应力效果可达34～55％。 ⑵ 采用焊趾冲击法，可以快速修复焊趾的缺陷，降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力，下降率达19％，对提高接头的疲劳寿命有明显作用。 ⑶ 由于冲击工艺处理的特点，仅可以用于冲击工具可达的外表面，其工作效率约为1200mm2/min。冲击工艺是以点接触、压应力屈服为主要特征的“面效应”型消应力工艺，伴随一定的振动时效效果，比较适合高拘束状态短焊缝的局部处理。如局部的焊接修复、大构件的组配焊接以及在厚壁结构上焊小构件，其焊缝处承受较大的拘束应力，且焊后易产生延迟冷裂纹等情况。可作为其它消应力工艺的补充工艺。应用人工或气动的锤击消应力工艺，通过敲击振动及表面压应力屈服实现消应力效果。该工艺已进入美国钢结构焊接规范，我国也成功应用于大型转炉的焊接和大型水轮机异重金属焊接的消应力处理。由于锤击工艺难以规范，对周边干扰大，劳动强度高，往往作为补充、应急工艺。 2.6 爆炸法工艺 将特种专用炸药沿焊缝走向粘贴在焊缝附近。炸药引爆后产生连续的冲击波迫使结构的峰值应力区域发生塑性变形，以此达到消应力的目的。据报道消除厚度可达70mm，效果可达60％，瞬间完成，适合大型和特大型结构，在水利涵管方面应用较多。爆炸法消应力施工时十分强调安全措施，故在城市建筑中应用有一定困难。