E690钢焊接接头应力腐蚀裂纹尖端力学-电化学非稳态交互作用机制研究

Stress corrosion cracking (SCC) of the welded joint is the key factor caused catastrophic accidents of ocean structures. In this project, we select the SCC of welded joint of E690 high strength low alloy steel used in ocean structures as the research subject. The microstructure, electrochemical activity and non-steady mechano-electrochemical interactions on the crack tip of E690 welded joint in marine environments will be investigated by the micro-electrochemical and SCC techniques. Through this work, the crack initiation and propagation behavior caused by microsturcture and electrochemical inhomogeneity will be revealed. The crack tip mechanics, chemistry and electrochemistry states and their micro-interactions will be clarified. Then the micro-electrochemical and cracking mechanisms under the synergistic effect of crack tip environments, stress-strain status and hydrogen enrichment will be illustrated. Based on this, the theoretical prediction model of the SCC propagation of E690 welded joint under the multi-factor coupling effects of the crack tip will be established. The achievement of this project will not only serve for the composition design and welding procedure modification of E690 steel, but also give support to the safety assessment and life prediction of E690 steel served in marine environments. Therefore, it has great scientific significance and application values.

焊缝区域应力腐蚀（SCC）是引起海工结构灾难性事故的重要原因。本项目选择海工用E690低合金高强钢焊接接头为研究对象，通过微区电化学及SCC研究手段，对其微观组织结构及电化学活性进行分析，探索其在海水环境中SCC裂纹尖端力学-电化学非稳态交互作用机制。项目将深入解析焊缝组织结构及电化学不均匀性导致的裂纹萌生及扩展行为，明确裂纹扩展过程中裂尖力学、化学、电化学状态及其微观交互作用机制，揭示裂尖介质特征、应力应变状态、氢富集等关键因素作用下裂尖微区电化学反应及微观断裂机理，进而建立E690钢焊接接头裂尖多因素耦合作用下的SCC裂纹扩展理论预测模型。本项目的研究成果不仅能直接为E690钢的组织成分设计及焊接工艺优化提供科学依据，还能为E690钢海洋环境下应力腐蚀防护方法、安全性评价及寿命预测提供理论支持，具有重要的科学意义和实际应用价值。

E690钢及其焊缝在海水环境中的应力腐蚀开裂威胁着海工装备的服役安全。本项目选择E690钢及其焊缝不同组织为研究对象，首先对焊缝微观组织结构及宏观/微区电化学活性进行分析，其次对E690钢及其焊缝组织在人工海水中开路电位及阴极电位下的裂纹扩展行为及裂尖介质特征进行了分析，最后针对E690钢及其焊缝组织在模拟裂尖酸化无氧，并添加含硫条件下的腐蚀、氢渗透及应力腐蚀进行了研究。研究结果表明，E690钢是典型贝氏体组织，原奥氏体晶粒内部为平行排列的铁素体板条及版条件的M-A组元。焊缝由粗晶热影响区、细晶热影响区和临界热影响区组成，不同组织的宏观电化学活性基本相同，无法用宏观电化学测试方法加以区分。组织中的M-A岛作为微阴极，而铁素体板条为微阳极。E690钢及其焊缝组织在人工海水中裂纹长度随加载时间逐渐增大，其中细晶热影响区裂纹扩展速率最快，而基材组织扩展最慢，裂尖pH值约为4.0，裂尖Cl-浓度约为3.8mol/L。随着距裂尖距离的增大，裂纹内溶液pH值升高，Cl-浓度降低。阴极电位会影响裂纹扩展速率，-750mVSCE下裂纹扩展最慢，之后随电位负移裂纹扩展速率逐渐升高。E690钢在酸性无氧含硫海水中随硫粒子浓度增大腐蚀产物成为外层为FeS内层为FeOOH的双层结构，低硫浓度下应力腐蚀开裂受氢脆过程控制，高硫浓度强点蚀发生，应力腐蚀敏感性进一步升高。施加阴极电位后，硫粒子会改变阴极反应，促进HS-吸附和氢析出从而抑制碳酸钙沉积。在含硫环境下由于界面pH值和硫的促进能力的变化，最大渗氢电流发生在-850mVSCE。E690钢在这种模拟环境下的氢脆敏感性随氢浓度的对数线性增加，低氢浓度下以贝氏体界面开裂为主，高氢浓度下以原奥氏体晶界开裂为主。同时在这种模拟环境下，FGHAZ的断裂敏感性最高，而其氢渗透电流最低，这表明其Trap氢含量是控制焊缝组织开裂的重要因素。