Q690高强钢对接焊缝加速腐蚀试验研究

doi:10.11902/1005.4537.2021.191

Q690高强钢对接焊缝加速腐蚀试验研究

魏欢欢^,¹^,², 雷天奇³, 郑东东^,², 辛振科⁴

1.杨凌职业技术学院建筑工程学院咸阳 712100

2.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室西安 710048

3.陕西铁路工程职业技术学院道桥与建筑学院渭南 714099

4.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司兰州 730000

Corrosion Characteristics of Butt Welds of Q690 High Strength Steel in Laboratory Test as an Enviormental Simulation of Ocean Splash Zone

WEI Huanhuan^,¹^,², LEI Tianqi³, ZHENG Dongdong^,², XIN Zhenke⁴

1.School of Architectural Engineering, Yangling Vocational & Technical College, Xianyang 712100, China

2.State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China

3.School of Road, Bridge & Architecture, Shaanxi Rallway Institute, Weinan 714099, China

4.Gansu Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation Design and Research, Lanzhou 730000, China

通讯作者: 魏欢欢,E-mail：wh0402@qq.com,男,1996年生,硕士,助教,研究方向为钢结构稳定与疲劳、耐久性、高性能建筑材料郑东东,E-mail：2512978427@qq.com,研究方向为钢结构稳定与疲劳、组合结构、工程结构抗震

收稿日期: 2021-08-10 修回日期: 2021-08-30

基金资助:

国家自然科学基金. 51978571
杨凌职业技术学院自然科学基金. ZK21-28

Corresponding authors: WEI Huanhuan, E-mail:wh0402@qq.comZHENG Dongdong, E-mail:2512978427@qq.com

Received: 2021-08-10 Revised: 2021-08-30

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China. 51978571
Yangling Vocational and Technical College 2021 Natural Science Foundation Project. ZK21-28

作者简介 About authors

魏欢欢,男,1996年生,硕士,助教

摘要

为研究Q690高强钢对接焊缝在海洋浪溅区的腐蚀特性,进行室内加速腐蚀实验,通过对不同周期下的表面宏观与微观腐蚀形貌的观察以及质量损失率、蚀坑尺寸和腐蚀速率等参数的测定,分析了试件损伤程度随腐蚀周期的变化规律。结果表明：随着腐蚀周期增加,金属光泽逐渐变暗,焊缝连接处分布较多锈蚀物,质地较为疏松,局部区域存在剥落现象；当腐蚀100 d后,试件质量损失率为8.46%。根据激光扫描共聚焦显微镜分析结果可知,表面堆积物能够抑制腐蚀沿深度方向延伸,腐蚀过程是由针状点蚀逐渐向坑蚀过渡,焊缝区、热影响区的蚀坑平均深度分别约为311.01和333.24 μm。研究结果对于海洋环境下国产高强钢耐久性评估具有重要意义。

关键词： Q690高强钢 ; 对接焊缝 ; 海洋浪溅区 ; 微观扫描 ; 质量损失率 ; 耐久性

Abstract

The corrosion characteristics of butt welds of Q690 high strength steel in the ocean splash zone was studied via laboratory simulation with a desired accelerated corrosion scheme of cyclic immersion in artificial seawater and maintenance in hot and humid chamber, in terms of the macroscopic and microscopic corrosion morphology, mass loss, pit size, and corrosion depth etc., so that to acquire the corrosion regulation of the steel. The results show that as the corrosion cycle increases, the metal luster gradually darkens, more rusts emerge on the weld joints, the formed rust rather loose with pelling off can be seen at local areas. After 100 d of corrosion, the mass loss rate of the steel is 8.46%. The observation results of laser scanning confocal microscope (LSCM) show that surface deposits can inhibit corrosion from extending along the depth direction. The corrosion process gradually transforms from needle-like corrosion spots to corrosion pits, the average depths of pits in the weld zone and heat affected zone are about 311.01 and 333.24 μm, respectively. The research results are of great significance for the durability evaluation of domestic high strength steel in marine environment.

Keywords： Q690 high strength steel ; butt weld ; ocean splash zone ; microscopic scan ; mass loss rate ; durability

PDF (1965KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

魏欢欢, 雷天奇, 郑东东, 辛振科. Q690高强钢对接焊缝加速腐蚀试验研究. 中国腐蚀与防护学报[J], 2022, 42(4): 675-680 DOI:10.11902/1005.4537.2021.191

WEI Huanhuan, LEI Tianqi, ZHENG Dongdong, XIN Zhenke. Corrosion Characteristics of Butt Welds of Q690 High Strength Steel in Laboratory Test as an Enviormental Simulation of Ocean Splash Zone. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2022, 42(4): 675-680 DOI:10.11902/1005.4537.2021.191

腐蚀损伤作为海工建、构筑物失效时的主要因素之一,若长期处于浪花飞溅区复杂环境下,构件表面损伤程度相比其他环境更为严重,焊接接头是空间体系连接受力核心区,而腐蚀性介质作用下的连接区域失效速率普遍较高,严重影响既有高强钢工程结构的使用寿命^[1-3]。为此,海洋腐蚀环境下材料失效机理、结构检测鉴定和安全防护技术等备受国内外学者的高度关注。Gkatzogiannis等^[4]进行了S355高强钢室内盐雾腐蚀实验,研究结果表明室内加速腐蚀能够较好模拟海洋环境。Guo等^[5]采用表面分析技术研究了海洋环境300 M高强钢材耐久性,根据实验数据分析可知,锈蚀物α-FeOOH和α-Fe₂O₃可能够抑制外界侵蚀性介质与内部基体之间的接触,减缓钢材的腐蚀速率。张世艳等^[6]模拟了海洋及工业大气环境下30CrMnSiA高强钢材腐蚀行为,随着腐蚀暴露时间增加,处于海洋环境下的表面锈蚀产物极易发生剥落,并且相比工业大气环境腐蚀敏感度更高。郭晗等^[7]研究了低合金高强钢焊接接头的腐蚀行为,结果表明热影响区的腐蚀速率大于焊缝区。刘洋等^[8]选用0.01 mol/L NaHSO₃溶液对N800CF高强钢母材及焊接节点进行浸润实验,结果表明焊缝区的失重率明显高于母材区,若焊接接头处热输入低于15 kJ/cm时具有良好的耐蚀性。Gong等^[9]通过室内加速腐蚀试验,研究了干湿交替及饱和湿润状态下X100钢腐蚀行为,结果表明随着腐蚀周期增加,表面生成产物逐渐增多,腐蚀速率降低。

目前针对不同环境工况下的钢材腐蚀损伤成因及机理展开了研究工作^[10,11],但是关于国产高强钢材的腐蚀分析甚少。本文采用盐水周浸-湿热循环试验模拟了海洋浪溅区腐蚀环境,分析Q690高强钢对接焊缝损伤累积程度和破坏机制,通过微观扫描结果揭示了焊缝连接处的腐蚀形貌分布规律,为复杂环境下国产高强钢工程应用及安全维护提供科学依据。

1 实验方法

所选用材为板厚10 mm的Q690D钢,连接部位采用“V”形坡口焊,焊接方法选取手工电弧焊,焊条型号为CHE857Cr；在制备和加工时,要求取质量等级为一级,焊缝构造设计、工艺参数及质量满足GB50661-2011要求^[12],加工好的试件进行编号及称重。Q690D钢材与焊条化学成分 (质量分数,%) 分别为C 0.07,Mn 1.61,Si 0.15,P 0.007,S 0.002,Cr 0.01,Mo 0.002,V 0.003；C≤0.15,Mn≥1.0,Si≤0.6,P≤0.035,S≤0.035,Cr≤1.1,Mo≥0.5,V≥0.05,焊接时要求焊条直径为4 mm,电流控制在130~170 A范围内,电压控制在22~26 V范围内,焊接速度控制在15~25 cm/min范围内；焊条屈服强度、抗拉强度各不小于740 MPa、840 MPa,断后伸长率应大于12%；当外界温度为-30 ℃时,冲击功应大于27 J。试件设计尺寸如图1所示。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 试件尺寸

Fig.1 Dimensions of test sample

考虑海洋浪溅区高温、干湿交替与高盐雾环境特征^[13],设计了盐水周浸-湿热循环的人工加速腐蚀方案,实验方案可分为腐蚀、观察、除锈及称重,而腐蚀过程共设置了浸润、干燥与潮湿三个环节。首先,将打磨并标记好的试件浸于NaCl溶液内 (配比浓度为26 g/L,pH值在6~7范围内),时间总计6 h,要求试件至少位于水平液面以下10 mm处,之后将试件从中取出,置于室内通风处自然晾干6 h,待试件表面水分完全散失后,将其整齐摆放于湿热箱内养护12 h,温度恒定于35 ℃,相对湿度恒定于95% (±3%)。在加速腐蚀期间,每隔2 d后重复一次上述操作,以20 d为一批取样周期,实验共分为6组,将未腐蚀钢板作为实验样本对比,腐蚀时间总计为100 d。实验结束表面除锈后,对腐蚀试件进行称重。此外,采用LEXT OLS4000 3D激光共聚焦显微镜 (LSCM),对试样正、反侧进行扫描,并测定相关腐蚀参数。扫描区是以焊缝中心为基准点,如图2所示。为了论述方便,样品按腐蚀周期编号,如腐蚀20 d的样品编号为CT20,平行样标记为CT20-1,2,3,4等,其余样品类推。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 腐蚀后样品的LSCM分析区域

Fig.2 Illustration of LSCM profile scanning regions of the sample after corrosion

2 结果分析

2.1 宏观腐蚀形貌

由图3腐蚀宏观形貌可以看出,未经腐蚀的试件表面金属色泽较为光亮,位于腐蚀初期的材料金属色泽逐渐偏暗,生成产物分布区间极为不均匀,随着腐蚀周期持续增加时,表面色泽完全丧失,锈蚀物包裹着试件外围,产生细微黄褐色堆积物,在腐蚀后期时,试件表面损伤程度进一步加深,产生大量片状分布的锈蚀层,主要以红褐色、灰褐色和红棕色为主,局部区域存在腐蚀剥落现象。当除锈工作结束后,可以清晰看到层次性较强的蚀坑分布,各区域损伤程度显然不同,加速腐蚀过程具有较大的差异性。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 经不同周期腐蚀后试件的表面形貌图

Fig.3 Corrosion morphologies of the specimens after corrosion for different time: (a) CT0, (b) CT20, (c) CT40, (d) CT60, (e) CT80, (f) CT100

2.2 失重率测定

本文通过选取质量损失率定量表征试件的腐蚀损伤程度,表达式如式 (1) 所示。腐蚀结果汇总如表1所示,拟合曲线如图4所示。

η_{s} = \frac{m_{0} - m_{1}}{m_{0}}

(1)

式中：η_s为质量损失率；m₀、m₁分别为腐蚀前后质量,g。

表1 质量损失率计算结果

Table 1 Calculated data of mass loss rates of various specimens

Corrosion time / d	Specimen code	m₀ / g	m₁ / g	m₀-m₁/ g	η_s%	η_s average value / %
20	CT20-1	1309.58	1294.52	15.06	1.15	1.80
	CT20-2	1324.79	1292.43	32.36	2.44
	CT20-3	1321.21	1297.76	23.45	1.77
	CT20-4	1318.81	1294.70	24.11	1.83
40	CT40-1	1313.18	1271.02	42.16	3.21	3.62
	CT40-2	1314.17	1267.16	47.01	3.58
	CT40-3	1321.26	1274.96	46.30	3.50
	CT40-4	1323.57	1268.41	55.16	4.17
60	CT60-1	1310.37	1244.03	66.34	5.06	5.48
	CT60-2	1324.55	1243.60	80.95	6.11
	CT60-3	1321.34	1248.06	73.28	5.55
	CT60-4	1313.53	1245.54	67.99	5.18
80	CT80-1	1311.02	1229.38	81.63	6.23	6.81
	CT80-2	1320.49	1229.32	91.17	6.90
	CT80-3	1320.25	1227.31	92.94	7.04
	CT80-4	1319.60	1226.32	93.28	7.07
100	CT100-1	1312.55	1209.86	102.69	7.82	8.46
	CT100-2	1325.45	1207.46	117.99	8.90
	CT100-3	1318.99	1210.32	108.67	8.24
	CT100-4	1323.10	1205.46	117.64	8.89

新窗口打开| 下载CSV

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 腐蚀周期与质量损失率的关系

Fig.4 Relationship between mass loss rate and corrosion time

根据图4和表1可知,质量损失率与腐蚀周期的呈线性增长。同一周期内的实测数据存在离散性,但是从宏观角度分析,符合材料常规的线性腐蚀损伤变化规律,并且始终位于普通钢材η_s-t曲线下方,说明Q690钢具有良好的耐久性^[14]。

3 微观扫描结果分析

3.1 微观扫描结果

根据激光共聚焦显微镜得到腐蚀试样单侧的微观形貌如图5所示。在腐蚀初期,表面呈大量针状点蚀物分布。随着腐蚀周期增加,热影响区腐蚀产物逐渐增多,局部区域有蚀坑生成。在腐蚀后期,表面产生大面积的锈蚀物,以坑蚀为主,由于产物堆积对基材内部存在保护作用,抑制腐蚀沿纵向扩展速率,腐蚀行为沿横向扩展速率远大于纵向,即由针状点蚀逐渐向坑蚀过渡。最终,腐蚀产物包裹试件外表面,锈层剥落现象明显。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 经不同周期腐蚀后试件表面LSCM扫描形貌

Fig.5 LSCM surface micro-topographies of various specimens after corrosion for different cycles (a) corrosion morphology of CT20 specimen; (b) corrosion morphology of CT40 specimen; (c) corrosion morphology of CT60 specimen; (d) corrosion morphology of CT80 specimen; (e) corrosion morphology of CT100 specimen

3.2 蚀坑尺寸统计分析

长期处于海洋浪溅区环境下,受到海水氯离子与海洋大气干湿交替作用,能够加快了钢材腐蚀速率,生成分布范围与尺寸不一的蚀坑,局部区域产生应力集中,影响既有工程结构使用寿命。另外,由于焊接区受加工工艺、不均匀温度等因素影响^[15],相比母材区更易发生化学反应,焊接接头处的传荷能力相对母材区偏于薄弱,故通过对试件表面实测蚀坑尺寸的研究分析,以便得到更为可靠的性能评估方法。其中,热影响区 (HAZ)、焊缝区 (WZ) 深宽比汇总如表2所示。

表2 扫描区域腐蚀深宽比

Table 2 Corrosion aspect ratios in the LSCM scanning areas of various specimens

Specimen code	Average depth of WZ / μm	Average depth of HAZ / μm	Average width of WZ / μm	Average width of HAZ / μm	Aspect ratio of WZ	Aspect ratio of HAZ
CT20	116.443	128.236	1765.143	1951.242	0.066	0.066
CT40	140.367	163.154	2279.497	2512.025	0.062	0.065
CT60	172.580	186.163	2996.232	2944.348	0.058	0.063
CT80	232.322	251.997	3966.214	5084.675	0.059	0.050
CT100	311.010	333.244	5809.283	6985.513	0.054	0.048

新窗口打开| 下载CSV

为更好反映室内环境模拟中高强钢对接焊缝损伤快慢程度,与实际海洋浪溅区腐蚀行为进行对比,引入了平均腐蚀速率,表达式如下：

ζ = 365 \times \frac{h}{t} \times 10^{- 3}

(2)

式中：ξ为平均腐蚀速率,mm/a；h为平均腐蚀深度,μm；t为腐蚀周期,d。

根据式 (2) 计算结果,得到了不同周期扫描试件的焊缝区、热影响区平均腐蚀速率如表3所示。

表3 焊缝区和热影响区的平均腐蚀速率

Table 3 Average corrosion rates of WZ and HAZ

Specimen code	η_s / %	WZ		HAZ
Specimen code	η_s / %	Average depth / μm	ξ / mm·a^-1	Average depth / μm	ξ / mm·a^-1
CT20	1.80	116.443	2.16	128.236	2.34
CT40	3.62	140.367	1.28	163.154	1.49
CT60	5.48	172.580	1.05	186.163	1.13
CT80	6.81	232.322	1.06	251.997	1.15
CT100	8.46	311.010	1.14	333.244	1.22

新窗口打开| 下载CSV

根据表2和3统计结果,分别得到试件热影响区及焊缝区的平均腐蚀深度、蚀坑平均宽度、深宽比与腐蚀时间的关系曲线如图6所示,t-η_s-ξ拟合关系曲面如图7所示。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 蚀坑尺寸与腐蚀时间关系

Fig.6 Variations of pit sizes with corrosion time (a) relationship between the average corrosion depth and the corrosion time; (b) relationship between the average corrosion width and the corrosion time; (c) relationship between the aspect ratio of the pit and the corrosion time

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 腐蚀试件t-η_s-ξ关系曲面

Fig.7 3D stereograms of t, η_s and _ξ for HAZ and WZ of the test specimen

根据图6和7可知,在腐蚀初期,热影响区与焊缝区的腐蚀行为主要沿纵向扩展,并且热影响区的尺寸增量始终大于焊缝区,随着腐蚀周期增加,扫描区分布较厚致密产物,腐蚀开始沿两侧快速延伸,点蚀逐渐向坑蚀缓慢发展；在室内加速腐蚀期间,热影响区的深宽比降低速度大于焊缝区,即热影响区的腐蚀损伤沿水平扩展速率更高。此外,热影响区与焊缝区的腐蚀深度速率始终呈递减趋势,腐蚀产物对于内部基体具有较好的保护效果,侵蚀扩展行为沿着深度方向的增幅逐渐变弱,其中扫描区域的平均腐蚀深度速率分别为1.34和1.46 mm/a,说明实验方案能够用于浪花飞溅区Q690钢腐蚀损伤分析^[16]。

4 结论

(1) 在腐蚀初期,试件表面分布不均匀锈蚀物；随着腐蚀程度增大,腐蚀损伤程度加剧,产生大量层片状锈蚀物,焊缝连接处存在剥落现象。此外,腐蚀时间与质量损失率呈线性增加,周期为100 d时,质量损失率为8.46%。

(2) 伴随腐蚀周期增加,表观腐蚀损伤累积差异性较大,但扫描区域的两侧锈蚀物分布范围基本保持一致。在试验后期时沿着与试件外表面平行方向快速扩展,扫描区域完全被锈层包裹,腐蚀行为是从局部针状点蚀到全面腐蚀逐渐过渡。

(3) 根据模拟浪溅区腐蚀速率实测结果,可知所选方案具有较好适应性,能够用于海洋复杂环境下高强钢工程结构耐久性研究。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Liu

, Wang

Environmental impact of material corrosion research progress in marine splash zone

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2010, 30: 504