低应力腐蚀开裂敏感性预应力管道钢丝生产技术塑管信息网：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｇｇｇｇ．ｃｏｍ
摘要：预应力钢丝给混凝土圆筒提供压应力来抵抗内部压力，是PCCP的主要结构构件。腐蚀和脆化引起的断丝会导致管道壁开裂，是管道破坏的主要原因。大多数断丝是由于应力腐蚀开裂造成的。高强度冷拉钢丝倾向于产生应力腐蚀开裂。通过分析钢丝应力腐蚀开裂机理和影响因素，对原料、酸洗、烘干、拉拔、冷却、表面质量等进行试验研究，开发了低应力腐蚀开裂敏感性管道用钢丝的生产技术，钢丝的抗应力腐蚀开裂性能达到国内领先水平。
关键词：PCCP 钢丝应力腐蚀开裂生产技术
ＰＣＣＰ随着时间的推移而破坏，由于直径大，压力高，一旦破坏，后果是灾难性的。导致破坏的主要原因是预应力钢丝的断丝［１］。而大多数钢丝的断裂是由于应力腐蚀开裂（ＳＣＣ）造成的［２］。在ＰＣＣＰ生产过程中采用低应力腐蚀开裂敏感性的优质预应力钢丝，是保证ＰＣＣＰ长期安全稳定运行的最根本的技术措施。高碳高强度钢丝倾向于产生应力腐蚀开裂，而我国目前对于管道钢丝ＳＣＣ的研究尚不成熟，标准对原料、制造和检验未做特殊要求，生产工艺装备和产品质量水平参差不齐，质量隐患很大。因此研究管道用预应力钢丝ＳＣＣ机理，开发低ＳＣＣ敏感性钢丝生产技术，生产低ＳＣＣ敏感性优质管道钢丝，是ＰＣＣＰ长期稳定安全运行的根本保证。
1 SCC介绍
应力腐蚀开裂是由于腐蚀、由残余应力或外加应力引起的应变共同作用形成的开裂。ＳＣＣ是腐蚀的一种隐藏形式，它只有少量的金属损失，但造成性能的显著下降。损害不容易被发现，经过一段时间的满意服务后，不可预知和快速地引起迅速破坏，造成灾难性后果。如结构破坏、管道泄漏和锅炉爆炸等。ＳＣＣ一般发生在材料 — 环境 — 应力的联合作用下。ＳＣＣ的发生需要同时满足下面三个要求：敏感的材料、引起材料ＳＣＣ的环境和足够的拉应力。
用来说明ＳＣＣ的两个基本理论是电化学分解和应力吸附。电化学分解理论认为沿着金属的晶粒边界形成了微电池，局部的电化学分解形成裂纹源。应力吸附理论认为金属原子间的结合力因吸收环境的有害成分而变弱，施加的应力导致裂纹沿着弱化边界生长。ＳＣＣ的断裂方式是沿晶断裂和穿晶断裂［３］。
Ｈａｍｐｅｊｓ等指出，有两种应力腐蚀，第一种是裂纹前沿钢的阳极溶解，即ＳＣＣ，另一种是阴极氢吸入的氢致应力腐蚀，即ＨＥ［４］。Ｙａｍａｏｋａ和Ｔａｎａｋａ认为，ＳＣＣ和ＨＥ是不同的现象，可以根据断裂模式区分。冷拉消除应力钢丝在硫氰酸铵和硝酸铵溶液的试验，分别产生ＨＥ和ＳＣＣ。ＳＣＣ是一个以分解为基础的现象，比ＨＥ发生的时间长［５］。ＨＥ是ＳＣＣ的一种形式，但是，ＳＣＣ不是ＨＥ的一种形式。
防止ＳＣＣ最有效的措施有：１）选择对ＳＣＣ不敏感的材料；２）控制应力小于门槛应力；３）去除危险品如氢氧化物、氯化物和氧等；４）避免在结构中有害物质聚集和产生裂缝。
2 影响钢丝SCC的因素
预应力钢主要有四种：热轧棒材，淬火回火钢棒，冷拉消除应力钢丝钢绞线，冷拉钢丝。Ｐａｒｋｉｎｓ的研究指出［６］，冷拉消除应力钢丝钢绞线最能抵抗ＨＥ开裂，而淬火回火钢是最不能抵抗ＨＥ的。与未消除应力钢丝比，在抵抗ＳＣＣ能力方面，消除应力钢丝显示了轻微的下降。Ｎｏｖｏｋｓｈｃｈｅｎｏｖ等指出［７］，钢丝的氢脆
敏感性随着含碳量和冷加工变形量的增加而提高。在屈服点以上的静水试验能减少残余应力，采取措施在钢丝表面形成压应力，有利于控制ＳＣＣ。Ｃ．Ｎ． ＭｃＣｏｗａｎ指出，钢丝表面纵裂纹是引发ＳＣＣ的原因。Ｓｕｒｙａ Ｋｕｍａｒ Ｓｉｎｇｈ指出［８］，Ｖ合金化和Ｃｒ合金化钢丝具有高的抗氢脆应力断裂腐蚀性能。脱碳和网状铁素体会增加ＳＣＣ敏感性。表面抛光或加工能提高ＦＩＰ试验断裂的时间，例如在７０％应力下１９．８小时断裂的钢丝，经过表面加工或抛光后， １５２小时和３０７小时后才断裂。
酸洗时氢以原子的形态透过钢的表面进入钢的内部，在应力的作用下，引发钢的氢脆现象。冷拉能增加氢陷阱浓度，因而能大大增加氢的聚集浓度。因此，对冷拉预应力钢丝而言，严格控制钢中及钢丝使用环境中的氢含量，具有特别的意义。
预应力钢丝在拉拔过程中，由于设备性能落后，尤其是冷却能力不够，拉拔工艺编排不当或操作不规范，磷化质量不佳，润滑不好，使拉拔力过大，拉拔热过高，产生动态应变时效（ＤＳＡ）等，都将给钢丝增加ＳＣＣ敏感性。
ＰＣＣＰ中钢丝的主要环境介质是混凝土，由于混凝土不能隔水，当有足够的单体氧原子、有足够的氯化物（７００×１０－６以上）和有水分存在这３个条件时，就有可能产生应力腐蚀。也就是说，如果钢丝周围有足够的氯化物存在，而环境又是无数次干燥与潮湿循环交替状态，就有可能促使应力腐蚀的加速形成，导致钢丝失效。此外，在高ＰＨ（８－１０）和近中性ＰＨ环境中［９］，或者阴极保护不当以及拉应力大于钢丝的应力腐蚀临界值时［１０］，都会导致ＳＣＣ。
3 低SCC敏感性钢丝生产技术开发
3.1 原料选择
ＡＳＴＭ Ａ６４８中规定，管道钢丝的含碳量为０．５－０．８％，ＧＢ／Ｔ５２２３中对钢种牌号未作要求。根据钢丝的氢脆敏感性随着含碳量和冷加工变形量的增加而提高，Ｖ合金化和Ｃｒ合金化钢丝具有高的抗氢脆应力断裂腐蚀性能，为此选择含碳量在０．８％左右添加Ｃｒ和Ｖ的优质碳素低合金钢盘条作为原料，如首钢ＳＷＲＨ８２Ｂ－１Ｓ等，同时对盘条的组织性能如表面纵向微裂纹、脱碳和先共析铁素体含量做出严格规定和检查验收，保证原料质量合格。同时对盘条表面氧化铁皮提出要求，防止铁皮过厚，内层形成Ｆｅ３Ｏ４，表面粗糙，酸洗后形成黑膜，造成磷化层不牢，影响钢丝抗ＳＣＣ性能。
3.2 酸洗和烘干工艺
试验表明，盘条酸洗后钢中氢含量增加，达到１０－１５ｐｐｍ，酸洗浓度越高，钢中吸氢量越大。酸洗后的盘条直接用于拉拔，钢中的氢没有及时排出，降低了钢丝的韧性，并在扭转时沿着纤维组织劈裂，见图１。酸洗后存放１０天以后拉拔，盘条中的氢大部分析出，但仍含有较高的氢含量，造成一定程度的脆化，钢丝扭转断口呈斜断口，见图２。酸洗后的盘条在２００℃烘干２－３小时，实测钢中氢下降到３ｐｐｍ以下，下降到正常水平，消除了氢脆，钢丝扭转断口平齐，无扭转裂纹。为此将硫酸溶液的浓度范围优化为６０－１００ｇ／ｌ，
小时。
酸洗后的盘条在２００℃烘干２
3.3 拉丝工艺
低合金优质碳素钢盘条的起始强度达到１１５０ＭＰａ以上，可以减少冷加工变形量，有利于抗ＳＣＣ性能。拉丝工艺主要考虑变形均匀，消除钢丝中心和表面缺陷，降低心部残余拉应力。在拉拔过程中，如果钢丝的变形不能深入到心部，会在钢丝中心产生附加拉应力，当附加拉应力加上拉拔应力大于钢丝中心的强度时，就会在心部产生裂纹源，并随着拉拔过程逐渐扩展，沿着拉拔方向形成箭头形状，造成尖状断裂。对于每一个拉拔道次，拉丝模角度和压缩率的结合落在中心断裂区里都会导致钢丝中心的附加拉应力，如果拉应力超过材料的抗拉强度，就会产生裂纹。为此设计了使变形区参数落在安全区的工艺参数，控制工作区角度和道次压缩率。表面缺陷主要是由于拉拔时润滑区压力不够，或润滑剂流向变形较小的地方，造成局部润滑失败。窄长型拉丝模能减少钢丝和拉丝模之间的间隙，可以建立起更大的润滑压力，带进更多的润滑粉，达到更好的润滑效果，还可以防止润滑粉从拉丝模的入口处倒出。这种设计也使钢丝变形更均匀，降低钢丝温度，提高表面质量［１１］。
3.4 冷却
美国的Ⅳ级钢丝事故是ＰＣＣＰ行业的噩梦。这个问题是钢丝生产者在１９８０年代为了提高预应力钢丝的生产效率而产生的后果。结果显示高强度的获得伴随着性能的降低。由于钢丝拉拔速度过快，温度升高到超过２０４℃，产生动态应变时效（ＤＳＡ）。使得钢丝性能变坏，导致钢丝产生纵向裂纹，并使钢丝对氢脆特别敏感。
钢丝温度升高后，固溶的Ｃ、Ｎ原子析出钉扎位错，形成柯氏气团，造成钢丝的强度升高，塑性下降。温度对扩散系数的影响是非常大的，２００℃时和２０℃时扩散系数的比值Ｄ４７３／ Ｄ２７３＝１０８。ＡＳＴＭ Ａ６４８中规定，钢丝通过冷拉来产生需要的力学性能，在拉丝过程中要采取可靠的预防措施来防止钢丝产生有害的应变时效。如果钢丝在高温停留，如２０４℃超过５秒钟，或１８２℃超过２０秒钟，会产生有害的应变时效。有害的应变时效会降低钢丝的塑性，增加氢脆敏感性。ＧＢ／Ｔ５２２３在制造条款中对此未作规定。其实钢丝在１２０℃较长时间停留也会产生应变时效。为此采用带有窄缝式冷却的进口１２００／９拉丝机，多道次低速拉拔，实测钢丝出模口最高温度低于１２０℃，并在卷筒上快速冷却，进入下一道入口温度低于４０℃，逐卷检测，消除了应变时效。
3.5 改善应力状态
通过拉丝工艺使变形深入到钢丝心部，消除心部残余拉应力，通过采取表面变形工艺，在钢丝表面形成压应力，提高钢丝抵抗ＳＣＣ性能。
3.6 表面防护
为了防止钢丝表面划伤，钢丝在生产线上不得与设备产生摩擦，滑动部分均改为滚动。钢丝在整个流程中不得接触水和其它液体，用吊装带吊装，包装钢带下垫包装布，钢丝堆放时，下面垫胶皮等，防止钢丝表面划伤。运输时防止划伤锈蚀。
3.7 实时监控
ＡＳＴＭ Ａ６４８和ＧＢ／Ｔ５２２３标准规定应力腐蚀试验只做型式检验，我公司为了保证钢丝的抗ＳＣＣ性能，将应力腐蚀试验作为日常检验项目，在生产过程在对ＳＣＣ进行实时监测，发现问题及时改进，对于试验不合的钢丝，改做其它用途，不得用作管道钢丝。
4 产品实物质量
通过上述试验研究，形成了完善的工艺技术规程和质量保证体系，生产的钢丝性能优异，质量稳定。Φ７．０ｍｍ１５７０ＭＰａ级钢丝强度基本控制在１６３０－１７３０ＭＰａ，扭转１０次以上，扭转断口平齐，无螺形开裂和
表面错裂，应力腐蚀试验可达２００小时不断，达到国内领先水平。
参考文献
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