1、 - I - 硕 士 学 位 论 文 应力比对 D36钢腐蚀疲劳裂纹扩展的影响 Effect of stress ratio on the corrosion fatigue crack growth rate of D36 steel 作 者 姓 名： 学科、 专业： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 大连理工大学 Dalian University of Technology 摘 要 近年来，随着海洋资源的开发 利用，钢平台发挥了越来越重要的作用。但是海洋平台遭受了许多严峻的条件，包括机械因素和环境因素。腐蚀疲劳是结构在波动载荷和腐蚀环境共同作用下的断裂行为。它是舰船结构的主要
2、失效形式之一。因此海洋平台容易发生腐蚀疲劳损伤。据统计数据，腐蚀疲劳损伤是最常见的腐蚀事故，约占总腐蚀损伤的 30%。因此，研究材料的腐蚀疲劳性能是十分必要的。为了减少和防止平台钢的腐蚀疲劳，阴极保护技术已在许多工程中得到应用。因此，研究阴极保护下平台钢的腐蚀疲劳应引起更多的重视。 对于一个重要的机械因素应力比和腐蚀疲劳的重要特征 稳定的裂纹扩展速率。本文主要进行以下工作：（ 1）应力比对 D36 钢在空气、海水和不同电位下的疲劳裂纹扩展速率（ FCPR）的影响。（ 2）电位对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响。（ 3） D36 钢的腐蚀疲劳机理。 （ 1）在不同应力比 0.1、 0.3、 0.5 三
3、点弯曲试验条件下，对缺口钢 D36 钢进行疲劳试验，并用 DA/DN K 曲线评定疲劳裂纹扩展速率。在不同的环境下进行了系统对比。结果表明，在不同的环境下， DA/DN K 曲线随着应力比的增加而向左移动，载荷比的增大导致在给定 的循环应力强度下，空气中的疲劳裂纹扩展速率略有变化。在较高的 K 值下，在海水中有潜在的保护电位，且疲劳裂纹扩展速率接近于空气中的速率。环境效应可以忽略不计。 （ 2）在 R 0.1、 0.3、 0.5 的范围内分别施加了 -400 mV、 -600mV、 -800 mV、 -1000 mV、 -1200 mV 的电位范围。在 R 0.1 时，研究了 -600MV 和
4、 -1000 MV 之间的阴极保护电位范围，确定了最佳保护电位 -800 毫伏。阳极极化和过阴极保护都会加速裂纹扩展速率。 （ 3）应力比 R 在 0.3 0.5 之间变化， -600MV 和 -800 MV。结果表明，阴极保护电位（ -800 MV）几乎没有保护作用，通过断裂形貌分析，氢脆随应力比的增大而增强。相反， -600MV 的保护作用逐渐增强。因此，阴极保护电位范围随应力比的增大而略微向正方向移动。 关键词： D36 钢；腐蚀疲劳；阴极保护电位；疲劳裂纹扩展速率 - III - Abstract With the development and utilization of mari
5、ne resources in recent years, steel platform has played a more and more important role. But offshore platform is suffered to many severe conditions, including mechanical factors and environmental factors. Corrosion fatigue is a fracture behavior of structures under the combined actions of fluctuatin
6、g loads and corrosive environment. It is one of the main failure modes for naval architecture. So the offshore platform is prone to corrosion fatigue damage. According to the statistics data, corrosion fatigue damage is the most common corrosion accident, accounting for about 30% of the total corros
7、ion damage. Therefore, it is essential to study corrosion fatigue properties of materials. In order to reduce and prevent the corrosion fatigue of platform steel, cathodic protection technology has been adopted in many projects. So the study on corrosion fatigue of platform steel under cathodic prot
8、ection should cause more attention. With respect to an mportant mechanical factor-stress ratio and an important characteristic of corrosion fatigue - stable crack growth rate. The present paper mainly carries out the following work: (1) The effect of stress ratio on fatigue crack propagation rate (F
9、CPR) of D36 steel in air, in sea water, and with different potentials. (2) The effect of potentials on the corrosion fatigue crack rate. (3) The corrosion fatigue mechanism of D36 steel. (1) D36 steel in notched form is tested with three-point bending experiment at different stress ratios 0.1, 0.3,
10、0.5 and the fatigue crack propagation rates are assessed using the da/dNK curves. A systematic contrast in different environments is made. In air, the results reveal that the da/dNK curve moves left with the increase of stress ratio in different environments and an increase in load ratio results in
11、an slight change in fatigue crack propagation rate in air at a given applied cyclic stress intensity, K. However, the increase is obvious in sea water and with protective potential at intermediate K values, and the fatigue crack propagation rate is close to the rate in air at higher K values. Enviro
12、nment effect can be negligible. (2) A range of potentials, -400mv, -600mv, -800mv, -1000mv, -1200mv, is respectively applied at R=0.1, 0.3, 0.5. The range of cathodic protection potentials between -600mv and -1000mv is investigated at R=0.1 and the optimum protection potential of -800mv is identifie
13、d. Both anode polarization and over-cathodic protection will accelerate crack rate. (3) Stress ratio R was varied from 0.3 to 0.5 with -600mv and -800mv. The result shows that cathodic protection potential (-800mv) makes little protective effect and by the analysis of fracture morphology, hydrogen e
14、mbrittlement enhances with the increase of stress ratio. On the contrary, the protective effect of -600mv gradually enhances. So the the range of cathodic protection potentials will slightly move to positive direction with the increase of stress ratio. Key Words： D36 steel; Corrosion fatigue; Cathod
15、ic protection potential; Fatigue crack growth rate - V - 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 Abstract .III 1 绪论 . 1 1.1 前言 . 1 1.2 金属材料腐蚀疲劳概述 . 5 1.3 腐蚀疲劳国内外现状研究 . 7 1.3.1 腐蚀疲劳的影响因素 . 8 1.3.2 腐蚀疲劳裂纹扩展模型 . 10 1.4 金属材料腐 蚀疲劳机理 . 12 1.4.1 腐蚀疲劳裂纹萌生机理 . 13 1.4.2 腐蚀疲劳裂纹扩展机理 . 15 1.5 本文的主要 研究内容及意义 . 17 2 实验研究 . 19 2.1 实验材
16、料和装置 . 19 2.1.1 实验材料 . 19 2.1.2 实验装置 . 19 2.1.3 疲劳试件制备 . 22 2.2 实验过程 . 22 2.2.1 测量断裂韧度 . 22 2.2.2 疲劳试验 . 26 2.2.3 电化学实验 . 27 3 应力比对 D36 钢疲劳裂纹扩展速率的影响 . 28 3.1 前 言 . 28 3.2 试验方法 . 28 3.3 试验结果分析与讨论 . 29 3.3.1 试验结果处理 . 29 3.3.2 试验结果分析 . 35 3.4 建立腐蚀疲劳裂纹扩展速率与应力比的关系模型 . 41 3.4.1 确定环境加速因子值 C(R) . 41 3.4.2 建
17、立并验证 /dadN ,KR 数学模型 . 43 3.5 断口分析 . 44 3.6 本章小结 . 45 4 电极电位对 D36 钢疲劳裂纹扩展速率的影响 . 46 4.1 前言 . 46 4.2 试验方法 . 46 4.3 试验结果分析与讨论 . 46 4.3.1 阳极极化电位对 D36 钢疲劳裂纹扩展的影响 . 46 4.3.2 阴极保护电位下 D36 钢的疲劳裂纹扩展速率 . 48 4.3.3 过阴极保护电位下 D36 钢的疲劳裂纹扩展速率 . 49 4.4 建立腐蚀疲劳裂纹扩展速率与极化电位的关系模型 . 51 4.4.1 确定环境加速因子值 C(E) . 51 4.4.2 建立并验证
18、 /dadN ,EK 数学模型 . 53 4.5 本章小结 . 53 5 应力比对 D36 钢阴极保护电位的影响 . 55 5.1 前言 . 55 5.2 试验方法 . 55 5.3 试验结果分析与讨论 . 55 5.4 断口形貌分析 . 59 5.5 本章小结 . 60 结 论 . 62 参 考 文 献 . 63 附录 A 疲劳裂纹扩展速率 matlab 编 程 . 69 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 . 74 致 谢 . 75 大连理工大学学位论文版权使用授权书 . 错误 !未定义书签。 - 1 - 1 绪论 1.1 前言 海洋作为人类赖以生存的空间，幅员辽阔， 超过地球总表面积一半
19、，同时海洋也蕴藏着巨大的生存资源，包括占地球总水量的 97%的 含水量 ，超过石油总储量的 2/3 的 石油 资源 和 储量约达 1.4 1014m的 天然气 资源 1。 海洋钢结构是通过在海上固定或移动来完成工作的，主要使用材料是钢材， 例如 ： 海上固定钻井平台和 移动 平台、船舶 、栈桥和海底油气输送管线 等 （ 如图 1.1） ， 是研究和 勘探 海洋资源必不可少的工具。其中，海洋 钢 平台是油气 勘测开发 的 必要 设备， 按功能 的差异其可划分 为生产平台和钻井平台 。生产平台支撑采油设备，钻井平台上支撑钻井设备，而按结构 形式和特点则可分为三大类：固定式平台、移动式平台以及顺应式
20、平台， 其处于极其恶劣的海洋腐蚀环境中，因而 平台 钢材料性 能也 得到 了 广泛的研究。 随着我国科学技术的不断进步和经济建设快速发展，海洋事业也得到了更多的关注和更大的发展 空间 ，我国 正朝 世界上首屈一指的海洋大国 迈进 。 目前，随着海洋开发规模的进一步扩大，钢材料在海洋腐蚀环境中极易发生腐蚀破坏，腐蚀 破坏由 直接 破坏 和间接 破坏 两大类 组成 ， 无论何种破坏形式均须经过漫长岁月的积累 ， 并且每年全世界由于腐蚀造成的直接经济损失约占各国 国民生产总值的 2%-4%， 危害极大 ，其中 海洋腐蚀 造成的破坏 约占总腐蚀 破坏 的 1/32。 另外，海洋工程结构 也经 常发生腐
21、蚀疲劳破坏 。发生该破坏的 金属材料不仅受到海洋腐蚀介质的 影响 ，还承受着 随机或循环 的海浪荷载 3。 大量 学者对腐蚀疲劳过程对金属材料性能的影响进行了研究，结果均表明腐蚀过程和荷载作用独立或简单叠加后，材料受到的破坏作用远低于实际破坏水平，而且 无论介质和材料如何组合或者在腐蚀性很弱的介质和很低的荷载水平下都会引起腐蚀疲劳破坏，这些都证实 了 腐蚀 作用 和交变 荷载 在腐蚀疲劳破坏过程中 是 协同影响 金属材料 ， 也就是说在腐蚀环境中，较低的应力条件下也可以发生腐蚀疲劳破坏， 所以其 具有更大的突发性、广泛性及 破坏 性。 海洋平台不仅受到 腐蚀 环境因素的影响，还要 承受重力荷载
22、 ， 波浪载荷 ， 风载荷 ， 冰载荷 ， 地震载荷 等力学因素的 影响 4， 因而 不易避免发生 腐蚀疲劳破坏。 如 1964 年 两座海洋钻井平台于东阿拉斯加库克湾 被海水摧毁， 1965 年海上宝石 (Sea Gem)号平台 在海水中发生腐蚀疲劳破坏 、七十年代初期 气井平台于 北海南部 破 坏、 1980 年 基兰、亚历山大号半潜式钻井平台于 英国北海翻沉等 5，这些事故主要是 由于 立柱 、 桩腿 等 部位 腐蚀疲劳破坏 产生的 （如图 1.2） ，造成 非常严重的 人员伤亡 和 经济损失。 因此，关于腐蚀疲劳的 研究形势 非常严峻。 1 .1 F ig 1 .1 Ch in e s
23、e o f f sh o r e o il d r il l in g p l a tf o r m , v e ss e l a n d p ip e l in e图 中 国 海 洋 石 油 钻 井 平 台 ， 船 舶 和 海 底 油 气 输 送 管 线 1 .2 F ig 1 .2 A c c ide n ts c a u se d b y c o r r o sion f a tigu e in th e v e r tic a l p il e a n d p il e l e g s图 立 柱 、 桩 腿 等 部 位 腐 蚀 疲 劳 破 坏 产 生 的 海 洋 平 台 破 坏 事 故
24、 海水 环境十分复杂，内部含有大量的泥沙杂质，有机腐质和各 类 溶解气体， 是天然形成的强电解质溶液， 宏观表现 为 PH 值 范围为 8 8.2。影响腐蚀 作用的因素很多，根据作用机理的不同可划 分为 化学因素、 生物 因素和 物理 因素 ， 它们的 影响 往往 是相互 联系 的 ， 不仅 对不同的金属 材料 影响不一样 ， 即使是 对同一 种 金属 材料在同一海域 的影响也 会 因 材料 在海水环境中的 位置 不同而 异 8。根据海洋腐蚀条件和行为特点， 海洋腐蚀- 3 - 环境 按海拔从高到低可 大致分为五个区带，分别为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区，海水全浸区和海底泥土区。 对于海洋钢
25、平台，海洋大气区 主要包括飞溅区以上的平台的生产区、生活区和部分导管架等部分，即 是 和 海洋大气环境 接触的平台部分 。这部分 遭受破坏主要是因为海洋大气的腐蚀 ， 且 腐蚀程度较轻，因而 主要采取涂层法予以保护 ；浪花飞溅区 处于海水平均高潮位以上 大约 0.6 1.4m， 这 部分的特点是在涨潮时不能被海水所浸没 ，但 海水飞沫又能够喷溅到材料表面 ，它是海 洋 环境中腐蚀最严重的区域。潮差区 是通过 潮水水位变动 而使钢结构 周期性浸入和暴露在空气中 的区域， 因潮 差区以下材料充当阳极被腐蚀， 位于潮差区的钢材在空气充入的情况下可充当阴极 从而受到保护。海水全浸区是指钢结构全部浸入海
26、水中的区域，这部分腐蚀主要受溶解氧的影响，从而形成电化学腐蚀过程， 由于 金属材料自身存在的微观损伤 或者 结构整体损伤使材料各部分的电位不同，以电位较高的部分为阳极， 以 海水为电解液 发生 电化学反应 9。 海泥区 的腐蚀作用 主要 通过 海泥微生物和 其中的 溶解氧产生，处于该区域的钢结构 受腐蚀影响不严重 ， 各区域腐蚀速率图如图 1.3 所示。 处于海洋腐蚀环境中金属构件的 腐蚀类型主要有均匀腐蚀、点蚀、空泡腐蚀、缝隙腐蚀、冲击腐蚀 和 电偶腐 ，其中均匀腐蚀和点蚀是最常见的腐蚀类型。 均匀腐蚀 常在不易区别阴阳极的地方发生 ， 是指 腐蚀介质 在金属表面 大体 以相同的速度进行腐蚀
27、 。 而 点蚀 通常只 发生在 材料 表面 局部 区域内， 并不覆盖表面其他区域 ， 常以坑点的形式表现。其特点是危害性大而且不易察觉，若不及时处理可在短时间内形成金属穿孔 10。 腐蚀 只是海洋钢结构的一种失效模式 ， 腐蚀是 腐蚀疲劳 破坏中的重要 环节 。 目前，关于金属材料的腐蚀疲劳的研究已经成为科学界的一个重要课题。在造船行业中，人们将钢材按材料特点和性能分为五类，分别为低碳钢、高强度钢、超高强度钢、特殊钢和铸钢。各类钢材的化学成分与机械性能均符合相应钢材等级，如碳含量，其他合金元素含量；屈曲强度，极限抗拉强度，伸长率，断面收缩率，抗冲击韧性，冷弯性等；相关的耐疲劳性能，耐腐蚀性能，
28、可焊性，抗层状撕裂性能，可加工性能等。 海洋钢 平台 结构 作为人类用来开 发 和利用 海洋资源的 必要工具 ， 不仅处于严峻的海水腐蚀环境中，还要用来支撑总质量超过数百吨的各种设备。这些使用特点也决定了海洋平台用钢板必须具备强度高、韧性好、抗疲劳、很高的耐海水和耐大气腐蚀性能、良好的抗层状撕裂性、良好的冷加工性和好的可焊性等性能。 由于 近代 平台用钢多 采 用 高 强度船舶钢， 所以 虽然 现代研制出多种新型 平台用钢 ，但是平台用钢仍按照 船舶检验局 关于 建造钢质船舶 的 规范 选取钢材 6。平台钢主要牌号为 A、 B、 D、 E(Z15， Z25， Z35)、AH36-FH36(Z1
29、5， Z25， Z35)、 AH32-FH32(Z15， Z25， Z35)、 Cr50、 AH40-FH40(Z15，Z25， Z35)、 API 2H-Cr42 等 7且主要级别采用 355MPa、 420MPa 和 460MPa。未来海洋平台用钢将向高强度、厚规格及好的耐腐蚀性能和高的低温韧性方向发展。 1 .3 F ig 1 .3 Co r r o sio n v e l o c ity d ia g r a m o f o f f sh o r e s te e l s tr u c tur e in d if f e r e n t m a r ine c o r r o sio
30、n e n v ir o n m e n t z o n e s图 海 洋 钢 结 构 在 不 同 腐 蚀 区 域 的 腐 蚀 速 度 图 为了降低钢材的腐蚀疲劳事故发生率，延长海洋钢结构 设备 的 工作年限 ， 进而最大程度地满足人类的需求 ，针对钢结构采取腐蚀防护措施是十分必要的。 据统计， 近一半的腐蚀损失可以通过 有效的腐蚀防护措施 避免 。 海洋钢结构腐蚀防护主要 包括以下 措施：涂层、耐腐蚀材料、表面处理与改性、电化学保护、缓蚀剂等 11，当然也可以采用两种或两种以上方式结合防护。 其中，电化学保护主要包括牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种形式，因为全浸区的腐蚀形式主要为电化学
31、腐蚀，所以电化学保护法主要对全浸区钢结构起保护作用。 其中，牺牲阳极阴极保护法 原理 如图 1.4， 这种保护方法不需要外加电源也 很难 产生腐蚀干扰， 简单易行且经济实惠， 因而在电流小于 1A 的小型钢结构中得到了 广泛的 应用。 所谓的外加电流阴极保护系统则是指向被保护通以一定的直流电 ，电流流向被保护金属形成回路，这样被 保护金属电位会低于周围环境电位成为阴极 ，再 和特定材料的 辅助阳极 一起构成 被保护金属 材料 的保护系统 。 这种方法 具有输出电压电流持续可调，装置寿命长，受环境影响电阻率小，保护范围大等优点 ， 可用于海洋大气区 浪溅 区 潮差区 全浸 区 海泥区 平均高潮 位 平均 低 潮 位 泥水分界线 金属厚度相对损失量
