不锈钢焊接海船锚链的腐蚀失效分析

材料断裂理论与失效分析不锈钢焊接海船锚链的腐蚀失效分析专业：材料工程（锻压）类型：应用型姓名：***学号：15S******-1-不锈钢焊接海船锚链的腐蚀失效分析引言锚链(cable)是连接锚和船体之间的链条，用来传递和缓冲船舶所受的外力。也能产生一部分的摩擦力。锚链由许多个链环衔接而成，大小以链径约（毫米）表示。依据链环中间有无撑档，分为有档锚键和无档锚链。锚链可用锻造、铸造和焊接等法制成。船用锚链由若干“节”（shackle）组成，每节长25.0～27.5米，节与节之间用链环或卸扣相连。绞起锚后，锚链储存在船首部的锚链舱内。锚链的规格，依照船舶建造标准计算肯定。1.简述Cr-Ni系不锈钢的合金化原理1、加入合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。一般钢中加入Cr、Ni、Si多元素均能提高其电极电位。由于Ni较缺，Si的大量加入会使钢变脆，因此，只有Cr才是显著提高钢基体电极电位常用的元素；2、加入合金元素使钢(不锈钢)的表面形成一层稳定的、完整的与钢的基体结合牢固的钝化膜。从而提高钢的耐化学腐蚀能力。如在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素，使钢的表层形成致密的Cr2O3，SiO2，Al2O3等氧化膜，就可提高钢(不锈钢)的耐蚀性；3、加入合金元素使钢(不锈钢)在常温时能以单相状态存在，减少微电池数目从而提高钢的耐蚀性。如加入足够数量的Cr或Cr－Ni，使钢在室温下获得单相铁素体或单相奥氏体。4、加入Mo、Cu等元素，提高抗腐蚀的能力。5、加入Ti，Nb等元素，消除Cr的晶间偏析，从而减轻了晶间腐蚀倾向。6、加入Mn、N等元素，代替部分Ni获得单相奥氏体组织，同时能大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。2.锚链的结构特征有哪些，简要分析锚链是连接锚和船体之间的链条，用来传递和缓冲船舶所受的外力。也能产生一部分的摩擦力。锚链可用锻造、铸造和焊接等法制成。船用锚链由若干“节”-2-组成，每节长25.0～27.5米，节与节之间用链环或卸扣相连。绞起锚后，锚链储存在船首部的锚链舱内。船用锚链是连接于锚和船体之间的链条，用于传递和缓冲船舶所受的外力。2.1船用锚链的分类与特点船用锚链可按多种方法进行分类，但主要有以下几种：1）按链环结构分类：船用锚链按链环结构的不同，可分为有档链和无档链两种。在尺寸和材质相同的情况下，有档链的强度比无档链大20%左右，且具有变形小、堆放时不易扭缠等优点，故海船广泛采用，而无档链一般仅用于小船。2）按链环的制造方法分类：船用锚链按链环制造方法的不同，可分为焊接船用锚链、铸钢船用锚链和锻造船用锚链三种。焊接船用锚链由CCS认可的钢厂使用圆钢材料加工焊接而成。具有工艺先进、简单，制造成本低，质量超过其他种类船用锚链的特点，是海船广泛使用的船用锚链。铸钢船用锚链由CCS认可的钢厂用合格的钢水浇铸而成。具有强度较高、刚性好、撑档不会松动和使用寿命较长等优点，缺点是制造成本较高、船用锚链耐冲击负荷差。锻造船用锚链因具有工艺复杂、成本高等缺点，故商船已基本不用。3）按船用锚链的公称抗拉强度分类：船用锚链根据其公称抗拉强度大小的不同，分为AM1、AM2和AM3三个等级。其中AM1级链强度最小，AM3级链强度最大。4）按船用锚链链环所起作用分类：船用锚链链环按其所起作用的不同，分为普通链环、连接链环、加大链环、转环、末端卸扣和末端链环等几种。-3-2.2船用锚链强度的衡量标准与标准长度1）船用锚链强度的衡量标准：链环的大小以链环的直径d表示，用来衡量船用锚链强度的标准链环是普通链环，其直径大小是衡量船用锚链强度的标准。若有档普通链环的截面直径为d，则有档普通链环本身的长度应是其截面直径d的6倍，宽度是d的3.6倍；加大链环的长为6.6d，宽为4d；散合式连接链环的长为8d，宽为4d；肯特卸扣（连接链环）的长为6d，宽为4.2d；末端链环的长为7d，宽为4d；转环的总长为9.7d，宽为4.7d。2）标准长度：船用锚链的长度以“节”为单位，CCS规范规定每节船用锚链的标准长度为27.5m，且每节船用锚链的链环数应为奇数。3.服役环境的要素有哪些？船锚的作用主要就是固定、稳定船。从以下几个方面来说。1、锚链要起作用，最基本的条件是在海底等钩住东西。如果锚链不够长，锚不会起作用。如果海底是平坦的，或者是锚钩住的东西不是固定的，或者是钩的不太牢，如果是风平浪静还可以，一但海浪过大，造成锚钩不住东西，会使锚失去其作用，这叫“走锚”，船在抛锚期间，出现走锚，是非常危险的，因为船在抛锚的时候一般主机都停了，如果立即开船，需要时间，没有动力的船四处漂是非常危险的。所以，才有了锚地这个概念，锚地，言外之意，海底下比较粗糙，另外，要能避风。2、锚链的重量对于船来说是可以忽略不计的，那点摩擦力，不会起多大作用的。一般来说，抛锚时的船，锚链都是笔直的，这是基本可以忽略摩擦力的作用。如果你在海边，会发现有很多的小渔船，她们的锚链是粗绳子。3、在船上面看，锚链是直的，但是在水下有一段是和海床接近于平行（其实是贴着海底的）的。锚提供抓力，而后通过锚链传递给船舶借此抵抗海流、风浪的外载荷对于定位的影响，之所以有一段是贴着海底的是要考虑到受力的影响。想想看，一个锚，锚链直挺挺的一拉就容易走锚。而有一段贴着海底，可以提供一个裕度在一定范围内是可以的。因此，综合考虑锚链的服役主要可能受以下影响：1、在抛锚时，锚链要浸泡在海水中，所以首先是海水腐蚀；-4-2、当起锚时，锚链又被拉出水面，裸露在空气中，会发生大气腐蚀；3、沿海工厂如核电厂等，会将工业水排入海水中。所以锚链解除的环境也包括工业介质。4.有可能发生的失效类型是什么？1、海水腐蚀：沉积物下的局部腐蚀：这是海洋腐蚀的主要形态。局部沉积物造成金属表面不同部位氧浓度的严重差异，从而形成氧浓差电池；此时O的迁移、Cl-的迁移均会进一步加剧闭塞区域的腐蚀速度；此外阳极溶解区周围OH-和Fe2+汇聚，二次腐蚀产物Fe(OH)2大量形成，堆积有劲一步恶化氧浓度的不均匀现象，闭塞去的闭塞程度进一步加剧；（1）接触腐蚀-电偶腐蚀：海水的电导率较高，腐蚀电阻较小，因此异种金属一旦相连并暴漏于海水就容易形成腐蚀电池；（2）缝隙腐蚀：凡需要充足氧气不断弥合氧化膜破裂从而保持钝化态的金属，在海水中均对缝隙腐蚀敏感，不锈钢和铝合金最为典型；（3）疲劳腐蚀：海洋工程结构除腐蚀之外还承受海浪、风暴、地震等载荷，因此海洋结构的腐蚀疲劳经常发生，是影响结构安全的主要因素；（4）生物腐蚀：构件在海洋中数小时内表面形成细菌膜，3~5天形成微型生物粘膜，此后大型附着生物的幼体出现、长大，最终形成附着生物群体。生物的附着、生长、死亡过程中产生的物质均会直接或间接地影响金属的腐蚀；（5）点蚀：当满足材料、介质和电化学三个方面的条件时，发生点蚀。点蚀多发生在表面容易钝化的金属材料上；不锈钢对卤素离子特别敏感，作用顺序是：Cl-Br-I-。这些阴离子在金属表面不均匀吸附易导致钝化膜的不均匀破坏；点蚀发生在特临界电位。（6）应力腐蚀：不锈钢在氯化物水溶液、海水、海洋大气的环境中，当有足够大的拉应力时，会产生应力腐蚀。2、大气腐蚀：当锚链拖出水面时，海周围的空气非常潮湿，锚链受到潮的大气腐蚀：水汽存在但浓度低于临界湿度，此时金属表面有很稀薄的水膜存在，这层水膜是由于-5-毛细管作用，吸附作用和化学凝聚效应而在金属表面上形成的。5.如何设计实验确定失效的类型？1、现场调查保护腐蚀失效现场的一切证据，是保证腐蚀失效分析得以顺利有效地进行的先决条件。要对腐蚀失效现场进行取证，并听取相关设备负责人、操作者等介绍情况，了解服役条件，收集相关的背景信息(如介质种类，温度，压力以及设备或管线的材质等，并且收取适量的腐蚀产物)。在观察和记录时可用摄影、录像、录音和绘图及文字描述等方式进行。2、实验室分析只有在极少数的情况下，通过现场和背景材料的分析能得出腐蚀失效的原因。大多数失效案例都需根据现场取证和背景材料的综合分析结果来进一步制定实验室的腐蚀失效分析计划，确定进一步腐蚀失效分析试验的目的、内容、方法和实施方式。失效部件和残留物上具有说服力的物证是十分有限的，因此试验前，须对试验项目和顺序、取样部位、取样方法及试样数量等均应全面考虑，合理地确定切取试样的位置、尺寸、数量和取样方法。通常采用的分析手段有下列各项：(1)宏观观察：主要是凭借肉眼或其他简单仪器，检查腐蚀失效部件表面是否光滑、有无裂痕、有无腐蚀和腐蚀产物，记录其大小、颜色形态和分布情况等。这种方法简便、直观，可以简单确定腐蚀的类型。对于肉眼不能直接看到的设备或管道内部表面，可采用内窥镜技术或者局部破坏等方式加以检查。(2)微观组织分析：主要是用金相显微镜、电子显微镜观察腐蚀失效部件的显微组织，分析组织对性能的影响，检查铸、锻、焊和热处理等工艺是否恰当，从而由材料的内在因素分析导致发生腐蚀失效的原因。(3)化学成分分析：主要是采用光谱法等测定腐蚀部件的材料是否符合技术要求，有无用错材料或出现成分偏差，必要时可进行微量元素分析或微区成分分析。(4)腐蚀形貌观察：腐蚀形貌真实地反映了材料被腐蚀的全过程，通过对材料腐蚀表面形貌的观察，可以进一步详细了解腐蚀过程，推测材料表面腐蚀特征的形成过程。因此对于腐蚀失效零部件，腐蚀形貌分析是最重要的一环。通过腐-6-蚀形貌分析，不仅可以得到有关零部件使用条件和腐蚀失效特点的信息，还可以了解腐蚀失效点附近的性质和状况，确定腐蚀的性质和形式，从而找出腐蚀失效的主要原因。腐蚀形貌分析先用肉眼或低倍实体显微镜和立体显微镜从各个角度来观察腐蚀表面的特征，并利用其中所带的网格粗略估计腐蚀表面蚀点或蚀坑等的大小，然后用电子显微镜(特别是扫描电镜)对有代表性的部位进行深入观察，以了解腐蚀表面的微观特征，同时可以利用电镜附带的X射线能谱仪或谱分析(EDX)功能对材料表面进行微区微量元素定性和定量分析，并进行元素点分布和面分布分析。(5)腐蚀产物分析：表面形貌观察还要配合相应的腐蚀产物分析结果，才能更有效地分析出材料失效的原因。对于腐蚀产物的分析，可以采用化学灼烧法、X射线衍射仪或俄歇电子能谱(AES)及光电子能谱(XPS)进行元素或化合物分析。(6)介质分析：对现场取得的失效零部件的环境介质(如水样或油样)进行化学分析。(7)其他检测项目：在必要时可以进行某些项目的力学性能试验，包括材料的硬度试验以及拉伸或弯曲试验，以校验该零部件的力学性能是否符合技术要求。(8)模拟试验：重大的腐蚀失效分析项目，在初步确定失效原因后，还应及时进行重现性试验(模拟试验)，以验证初步结论的可靠性。利用介质分析和材料化学成分分析的结果，在实验室内配置成分相同的腐蚀介质，并选用和腐蚀失效部件相同的材质，进行相同的热处理，然后模拟现场环境(温度、压力)进行模拟腐蚀试验，进一步验证腐蚀形成过程和腐蚀机理。还可以利用安装在重点腐蚀设备上的在线旁路试验釜对装置的腐蚀状况进行监测(监测时间约为3至6个月)，监测结果可以排除装置物料波动等短时期影响，通过选用不同材质的试片，较为真实地反映装置的实际腐蚀状况。若该监测系统中某部位发生了腐蚀失效，可以借助长期的监测数据更好地进行腐蚀失效分析，并为后期选材提供可靠的试验数据。-7-完成上述试验后，把现场调查的资料及各项试验结果进行综合分析，搞清失效的过程，确定失效的原因。在大多数情况下，失效原因可能有多种，应努力分清主要原因和次要原因。如某零部件存在两个以上的失效类型时，应分析和找出主要的腐蚀失效类型及其主要的失效抗力的表征参量。因此推测船锚可能发生的腐蚀情况为：1、点蚀：（1）点蚀蚀孔很小，形核时一般为20-30um，肉眼难于察觉，长大到30um之后金属表面才出现宏观可见的蚀孔；（2）蚀孔的深度往往大于孔径，蚀孔通常沿重力或横向发展，多在朝上的表面出现；（3）点蚀只出现在局部区域，分部密度因例而异；（4）点蚀伴随有轻微/中度全面腐蚀时，蚀坑往往被腐蚀产物覆盖，需要去除表面腐蚀产物才能观察到点蚀坑。2、缝隙腐蚀：（1）能使缝隙内介质停滞的微小缝隙