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超高强海工钢焊接接头抗氢致开裂性能研究

摘要

随着国内海工装备研发进程加快，国内海工制造业迅速发展，故海工材料用钢的服

役性能指标要求也随之上升。随着海工钢服役环境的日益严苛与用钢标准的提高，钢材

氢致开裂(HIC)敏感性增加、韧性降低与易腐蚀等问题也逐渐浮现。目前海工平台事故

主要是由焊接接头处失效引起，而接头内部热影响区间的组织结构差异会直接影响钢铁

材料装备的服役性能。因此，对焊接接头内部组织进行分析，提高钢材焊接接头力学性

能、耐腐蚀性能与耐应力腐蚀开裂(SCC)能力是当前研究的焦点。本文选取E690海工钢

及抗氢钢材料，结合Gleeble热模拟实验，针对其耐腐蚀性能、机械性能及抗HIC性能

进行测试，对表面腐蚀形貌、机械性能、断口裂纹形貌、/SCC敏感性等结果进行分析，

研究了焊接接头服役性能提升与抗HIC的关键因素。本文主要研究内容如下：

通过浸泡实验研究了E690海工钢及抗氢钢基材与接头的抗腐蚀性能，结合微观形貌、

物相表征与电化学测试得到腐蚀速率排序为：接头热影响区＞基体≥焊材金属。两种钢材

腐蚀产物为FeO与羟基氧化铁，在7天腐蚀条件下E690钢抗腐蚀性能较好，最大点蚀

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坑深度为8.19μm，低于同条件下抗氢钢的9.74μm。14天长周期腐蚀试验中E690钢点蚀

发展加剧，抗氢钢最大点蚀深度为11.35μm，低于海工钢的18.73μm，耐腐蚀性能更佳。

电化学测试说明两种钢材不同热影响区存在耐腐蚀性差异，E690海工钢基体腐蚀电流密

-52-52

度为4.85×10A/cm，高于抗氢钢基体2.13×10A/cm。海工钢热影响区腐蚀程度排序

为：粗晶热影响区(CGHAZ)＞细晶热影响区(FGHAZ)＞临界热影响区(ICHAZ)＞亚临界热

影响区(SCHAZ)；抗氢钢热影响区腐蚀程度排序为：FGHAZ＞SCHAZ＞CGHAZ＞ICHAZ，

-52

其中细晶热影响区腐蚀电流密度为3.56×10A/cm，显著高于基体。E690钢焊接接头的

-52

腐蚀电流密度为6.25×10A/cm，耐腐蚀性能相较基体更差，腐蚀薄弱处为FGHAZ。焊

接接头腐蚀机理由阳极溶解与电偶腐蚀共同控制，氢离子及腐蚀介质在热影响区附近累积，

腐蚀坑底部形成微电池引发点蚀。同时氢离子向裂纹尖端扩散，诱发SCC裂纹生长。

通过力学性能测试研究两种钢材基体与不同热影响区机械性能，结果表明抗氢钢机

2

械性能优于E690海工钢，FGHAZ热影响区综合性能最好，冲击功可达257.785J/cm，

2

高于海工钢的142.65J/cm。微观形貌说明抗氢钢主要组织为板条状贝氏体，晶粒平均

尺寸更小，小角度晶界密布，因而氢的富集程度降低，抗氢致开裂性能佳。

采用预充氢结合慢应变速率拉伸试验，测量两种钢材SCC敏感性排序为抗氢钢基

体＞E690海工钢基体＞抗氢钢焊接接头＞E690海工钢焊接接头。其中抗氢钢基体及焊

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

缝处延伸率损失相较E690海工钢减少5%-10%。随充氢电流密度增大，两种钢材断裂

方式均由韧性断裂向脆性断裂转变，其中E690海工钢抗HIC性能普遍低于抗氢钢。

关键词：海洋工程用钢；焊接接头；应力腐蚀开裂；腐蚀表征；氢致开裂

超高强海工钢焊接接头抗氢致开裂性能研究

Abstract

Withthedevelopmentofdomesticmarinematerials,thelevelofdomesticoffshore

manufacturingindustryisrapidlyincreasing,sotheserviceper