海洋碳钢焊接接头阴极电位诱导应力腐蚀开裂的机理研究与工程应用

本研究针对海洋工程中S420钢焊接接头在阴极保护(CP)下应力腐蚀开裂(SCC)风险，通过电化学测试与慢应变速率拉伸(SSRT)实验，揭示了热影响区(HAZ)因粗晶和珠光体带导致的最高SCC敏感性(氢脆系数达39.1%)，为深海平台安全防护提供关键理论支撑。

　　

在深海油气开发领域，海洋平台钢结构长期面临严酷的腐蚀环境。阴极保护(CP)虽是防腐标配手段，但过度阴极极化可能引发更危险的应力腐蚀开裂(SCC)——这种"防不胜防"的现象已成为工程界痛点。尤其当牺牲阳极(SACP)与外加电流(ICCP)联合保护时，电位波动范围可达-748mV至-1143mV，使得SCC风险陡增。更棘手的是，焊接接头因存在热影响区(HAZ)、焊缝金属(WM)和母材(BM)的微观结构差异，成为SCC的薄弱环节。

针对这一难题，中国的研究团队以南海平台常用S420钢为研究对象，在《Applied Ocean Research》发表重要成果。研究创新性地采用"电化学表征-SSRT测试-断口分析"三位一体方法，首次系统揭示了不同阴极电位(-750mV至-1150mV)下焊接接头各区域的SCC演化规律。

关键技术包括：1) 通过0.5mV/s和50mV/s双扫速极化曲线划分AD/HE主导区间；2) 采用EIS监测不同电位下电荷转移电阻R_ct变化；3) 基于GB/T 2651-2008标准的SSRT实验定量评估氢脆敏感系数I_SCC；4) 结合SEM分析断口形貌转变。

3.1 电化学行为差异
极化曲线显示HAZ腐蚀电流密度(8.7μA/cm²)显著高于BM(6.2μA/cm²)和WM(7.1μA/cm²)，这与其粗大晶粒和珠光体带导致的微电偶效应直接相关。EIS分析发现所有区域R_ct均在-850mV达到峰值(HAZ为6434Ω·cm²)，此时阳极溶解(AD)与氢脆(HE)处于临界转换点。

3.2 SSRT性能演变
当电位从-750mV降至-1150mV时，HAZ的断面收缩率ψ从58%骤降至42%，其I_SCC在-850mV即达39.1%，远超BM(16.0%)和WM(19.3%)。值得注意的是，HAZ在-850mV已进入氢脆危险区(>35%)，而BM/WM直到-1050mV才出现类似风险。

3.3 断口形貌特征
SEM显示-750mV时三类区域均呈韧窝状韧性断裂，而-950mV时HAZ率先出现解理台阶。至-1150mV，BM/WM/HAZ均呈现典型冰糖状脆断形貌，但HAZ的二次裂纹密度高出近3倍，印证其更高HE敏感性。

4.1 电化学机制
研究提出创新理论模型：当电位正于-850mV时，裂纹尖端AD主导，R_ct∝(1-θ)/R_ct^a；负于-850mV后，阴极析氢主导，R_ct∝θ/R_ct^c。HAZ因珠光体/铁素体电偶效应，在-850mV即呈现最低R_ct(6434Ω·cm²)，加速局部溶解。

4.2 微观结构影响
HAZ的粗晶结构(平均晶粒尺寸45μm)比BM(12μm)更利于氢扩散，而BM针状铁素体的交错网络能有效阻碍位错运动。能谱分析发现HAZ珠光体带存在MnS夹杂物，这些"氢陷阱"在应力下转化为裂纹源。

该研究首次建立S420钢焊接接头SCC风险的电位-微观结构-性能关系图谱，提出-850mV是AD/HE转换的临界电位。工程上建议对HAZ区域实施电位精准控制(>-800mV)，并为深海平台CP系统设计提供理论依据。研究团队开发的"电化学活性-氢扩散系数"双参数评价模型，为高强钢焊接结构寿命预测开辟新思路。