应力与人工海水耦合作用下Q355B对接焊接头的腐蚀行为与静态拉伸性能退化机理研究

《Ocean Engineering》：Corrosion behaviour and static tensile properties of butt-welded joints considering stress conditions and artificial seawater

海洋工程结构中，对接焊接头在应力与腐蚀耦合作用下性能退化显著。本研究针对Q355B钢对接焊接头，通过模拟海水加速腐蚀试验和单轴拉伸测试，分析了应力条件和腐蚀时间对质量损失率、腐蚀形貌特征参数的影响，建立了腐蚀模型和力学性能退化模型，提出了基于应力-应变关系和腐蚀影响系数的拉伸性能预测方法，为在役海洋钢结构安全评估提供了重要参考。

　　

随着全球对海洋可再生能源的日益重视，海上风力发电机组和海上浮动光伏发电系统得到了广泛的开发和推广。然而，随着使用时间的增长，海洋腐蚀问题变得越来越严重。作为海上可再生能源收集系统的关键连接部件，对接焊接头在腐蚀后的承载性能备受关注。由于其复杂的应力条件和较脆弱的防腐涂层质量，对接焊接头遭受更严重的腐蚀损伤。因此，在海洋环境中考虑应力和腐蚀条件，开展对接焊接头的腐蚀行为和静态拉伸性能研究显得尤为重要。

尽管近年来对钢材和焊接接头在海洋环境中的腐蚀行为进行了广泛研究，包括腐蚀产物、腐蚀速率、腐蚀因素以及腐蚀形貌等方面，但大多数研究未能同时考虑腐蚀环境因素和应力-腐蚀耦合效应。此外，现有评估方法也较少关注工程适用性、点蚀效应和多应力条件的结合。为此，本研究以Q355B对接焊接头为研究对象，在人工海水溶液中进行加速腐蚀试验，探讨了不同区域表面形貌的发展规律，分析了应力条件的影响，并建立了力学性能退化模型。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，通过自主设计的应力-腐蚀装置实现考虑应力状态的加速腐蚀试验，该装置包括应力加载装置和加速腐蚀装置两部分；其次，利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)和三维激光显微镜获取微观腐蚀形貌和三维表面点云数据；最后，采用电液伺服万能试验机(DDL300)进行静态单轴拉伸试验，测量腐蚀后接头的力学性能变化。

3.1. 腐蚀质量损失

质量损失率随腐蚀时间单调增加，但腐蚀速率逐渐减慢。应力作用会加速腐蚀，应力比越大，腐蚀程度越大。质量损失率数据的变异系数(Coefficient of Variation, CV)大多小于0.15，表明数据合理性较高。

3.2. 腐蚀形貌

宏观上，应力对锈层和腐蚀形貌影响较小；微观上，随着腐蚀时间增加，三个区域(焊缝区Weld zone, W、热影响区Heat-affected zone, HAZ、母材区Base metal zone, BM)的点蚀直径和密度逐渐增加，形成不规则"点蚀簇"。应力条件下，表面粗糙度增加，热影响区的点蚀深度最大。

3.3. 腐蚀模型和特征参数

建立了包括点蚀特征参数(d_p, d_max, S_a)和均匀腐蚀特征参数(d_c, d_ave)的腐蚀模型。点蚀深度分布拟合结果表明，热影响区符合正态分布，焊缝区和母材区符合对数正态分布。

3.4. 力学性能退化

随着腐蚀程度和应力比增加，试件的承载能力和变形能力下降。名义屈服强度和名义极限强度均呈下降趋势，且应力比对屈服强度的影响更大。变形性能参数(极限应变ε_u和断裂后伸长率Δ)也随腐蚀时间增加而下降。

基于试验结果，研究人员提出了考虑应力条件的海水腐蚀下Q355B对接焊接头名义应力-名义应变的计算方法，并建立了基于名义应力-应变模型和基于腐蚀系数的拉伸性能预测方法。这些方法可用于质量损失率30%以内、应力比0.6以内的Q355B对接焊接头在海水腐蚀环境中的性能评估。

本研究系统分析了Q355B对接焊接头在人工海水腐蚀环境中的腐蚀行为和力学性能，揭示了应力和腐蚀耦合作用下的退化规律。建立的腐蚀模型和力学性能预测方法为在役海洋钢结构的安

全评估提供了重要技术支撑，对提高海洋工程结构的安全性和耐久性具有重要指导意义。研究发现，应力条件显著加速了焊接接头的腐蚀过程，特别是热影响区的点蚀发展更为明显。提出的两种预测方法分别基于名义应力-应变关系和腐蚀影响系数，为不同工况下的性能评估提供了灵活选择。这些成果不仅丰富了海洋工程材料腐蚀领域的理论基础，也为实际工程中的腐蚀防护和安全设计提供了实用参考。