【專題報道】海上風機螺栓用鋼的腐蝕及疲勞行為
2025-02-14 15:57:15
作者：吳重仲，劉大勇 來源：腐蝕與防護
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風能是清潔的可再生能源，大力發展風電，是實現碳達峰與碳中和目標、改善全球氣候目標的有效途徑。相對于陸上風能,海上風能儲存量更大、分布更廣；而且，開發海上風能對人們的居住和生產環境的影響較小。然而，海上氣候較為惡劣，高濕度和高氯含量給風電機組帶來很大的安全隱患。螺栓是影響風電機組安全和壽命的關鍵零件。通常情況下，一臺風力發電機機組有數百個螺栓用以連接葉片、機架、塔筒、主軸、輪轂這些關鍵零部件。海上高濕度和高濃度氯離子的環境對螺栓有很強的腐蝕作用。螺栓腐蝕會直接影響風電機組的安全和壽命。
42CrMoA是一種中碳低合金鋼，具有很高的強度和優異的韌性。它是制造大規格海洋風電機組高 強 度 螺 栓 的 典 型 材 料。在 海 洋 環 境 中，42CrMoA鋼的耐蝕性很差。雖然，大多數螺栓都通過表面處理或防護涂層等方法進行了防腐蝕處理，但如果防護層消耗完，或者在螺栓安裝及檢修過程中防護層磕碰損傷，螺栓基體就會與腐蝕環境接觸而發生腐蝕。腐蝕會減少螺栓的截面積，導致表面粗糙度增加，顯著影響結構的疲勞壽命。海洋風電機組中螺栓主要處在浪花飛濺區和大氣區，目前關于10.9級螺栓在該環境中的腐蝕行為，以及腐蝕之后疲勞開裂行為的研究鮮見報道。
因此，作者通過干濕交替的循環鹽霧試驗模擬海上浪花飛濺和霧氣繚繞的惡劣環境，對42CrMoA鋼進行腐蝕試驗，用掃描電子顯微鏡觀察腐蝕產物并用能譜儀檢測其元素組成，用光學輪廓儀表征腐蝕坑形貌，并用原位疲勞試驗機研究腐蝕后的疲勞裂紋擴展，分析腐蝕坑對疲勞開裂的影響。研究結果對評估海上風電螺栓壽命和提高風電機組安全具有實際意義。
試驗材料為42CrMoA鋼，從10.9級海上風力發電機用螺栓上切下尺寸為15mm×10mm×3mm的試樣。使用800~2000號砂紙逐級打磨試樣表面，之后進行機械拋光，使試樣表面粗糙度低于0.025μm。最后，用無水乙醇對拋光后的試樣進行清潔和脫脂處理，并充分干燥。
根據GB/T 24195-2009《金屬和合金的腐蝕酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤”條件下的循環加速腐蝕試驗》標準中的方法B，采用Q-FOGCCT型循環鹽霧腐蝕試驗箱進行鹽霧腐蝕試驗。一個循環周期的試驗參數為：鹽霧階段1h，溫度35℃，pH2.5，鹽溶液沉降率(80cm2試樣表面)為(1.5±0.2)mL/h；干燥階段4h，溫度60℃，相對濕度(RH)小于30%；濕潤階段3h，溫度40℃、相對濕度(85±5) %。在試驗箱中一次放入多個試樣，每隔一段時間取出一個試樣，取樣周期為8、16、24、48、72、96、168、240h。
用掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察不同鹽霧時間段的腐蝕產物，并用其配備的能譜儀(EDS) 對腐蝕產物進行元素分析。
根據GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》清除腐蝕產物：取50mL鹽酸，0.35g六次甲基四胺，加蒸餾水配制成100mL溶液，在25℃水浴環境中振蕩10min去除試樣表面的腐蝕產物。對除銹后試樣進行清洗、干燥、稱量，采用失重法計算腐蝕速率，如式(1)所示。
式中：v為腐蝕速率，mm/a；mo為腐蝕前試樣質量，mg;m1為腐蝕除銹后試樣質量，mg;ρ為材料密度，g/cm3；S為試樣腐蝕暴露的表面積,mm2；t為腐蝕時間，h。
在清除試樣表面腐蝕產物后，使用MicroXAM 3D型三維共聚焦表面形貌儀表征腐蝕坑形貌，掃描視場范圍為3.5mm×2.5mm。
為了研究腐蝕坑對疲勞開裂的影響，用掃描電鏡與伺服液壓疲勞裝置相結合的原位觀察疲勞試驗機，在室溫下對鹽霧腐蝕240h后42CrMoA鋼試樣進行原位疲勞試驗。疲勞試樣的尺寸如圖1所示，兩端夾持部位用防銹膠帶纏繞保護，露出標距段。鹽霧腐蝕和除銹方法同1.2節。在疲勞試驗中，應力控制方案為：最大應力σmax為910MPa，應力比r為0.3，正弦波加載，工作頻率為8Hz，動態觀察頻率為0.01Hz。為有效追蹤裂紋的萌生與擴展過程，在500~1000倍放大倍數下原位觀察試樣表面裂紋形貌。
圖2為42CrMoA鋼在循環鹽霧腐蝕初期階段的產物形貌。結果表明：鹽霧腐蝕8h后，42CrMoA鋼表面已全部被褐色腐蝕物覆蓋，但分布并不均勻，如圖2(a) 所示，在掃描電子顯微鏡下，可以看到很多大小不一的疏松顆粒，如圖2(d)所示；當鹽霧腐蝕時間延長至 24h時，42CrMoA鋼的腐蝕更嚴重一 些，不規則顆粒狀腐蝕產物增多，顆粒尺寸也更大，如圖2(b)，(e)所示；當鹽霧腐蝕48h后，腐蝕顆粒的堆集逐漸致密，有發展為層片狀的趨勢，但仍然存在間隙。
圖2 鹽霧腐蝕8~48h后42CrMoA鋼表面的腐蝕形貌
圖3為42CrMoA鋼鹽霧腐蝕較長時間(96~240h) 后的形貌。結果表明：鹽霧腐蝕96h后，42CrMoA鋼表面顆粒狀腐蝕產物逐漸堆積成片，但腐蝕產物層在基體表面附著不牢固，很容易脫落；在鹽霧腐蝕168h后，42CrMoA鋼腐蝕非常嚴重，產物已形成厚實的片狀，局部腐蝕產物與基體分離，表面起伏不平，銹層上存在著裂紋，如圖3(e)中的箭頭所示；當鹽霧腐蝕240h后，銹層變得更厚，裂紋變得更寬、更深，在局部剝落的銹層下可觀察到緊密排列的顆粒狀腐蝕產物。
圖3 鹽霧腐蝕96~240h后42CrMoA鋼表面的腐蝕形貌
圖4和5為鹽霧腐蝕24h和240h后42CrMoA鋼表面腐蝕產物EDS分析結果。可以看到，Fe、O元素在鹽霧腐蝕24h和240h的腐蝕產物中存在明顯富集現象；Cl元素在鹽霧腐蝕24h后的腐蝕產物中只存在少量，而在鹽霧腐蝕240h后試樣的整個視場均有體現，這說明鹽霧腐蝕時間越長，Cl元素的沉積越明顯。研究表明，Cl-由于具有較高的電導率和較強的穿透力而誘發、活化并促進42CrMoA鋼表面發生點蝕。同時，從襯度上看到，腐蝕產物中Fe、Mo元素含量隨著鹽霧時間的延長而減少。
圖4 鹽霧腐蝕24h后42CrMoA鋼表面腐蝕產物EDS分析結果
圖5 鹽霧腐蝕240h后42CrMoA鋼表面腐蝕產物EDS分析結果
圖6為42CrMoA鋼在鹽霧腐蝕期間的質量損失和腐蝕速率。根據式(2)對腐蝕數據進行擬合。
式中：M為腐蝕后單位面積試樣的質量損失，mg/cm2；A為常數；n為反映金屬腐蝕趨勢的常數。擬合后方程如式(3)所示，回歸系數R2為 0.9968，符合冪函數規律。
由圖6可見，42CrMoA鋼的鹽霧腐蝕可分為兩個階段。第一階段(0~48h) 為腐蝕前期，此階段腐蝕較快，隨著鹽霧腐蝕的進行，腐蝕速率逐漸降低；當鹽霧腐蝕持續到48h時，42CrMoA鋼的質量損失為8.9mg/cm2，腐蝕速率為2.07mm/a。第二階段(48~240h)為腐蝕的中后期，此階段腐蝕速率趨于平緩，特別是鹽霧腐蝕96h后；這是因為在鹽霧腐蝕前期，表面產生的腐蝕產物疏松且分散，不能有效阻止腐蝕性離子對試樣的腐蝕，而隨著鹽霧 腐蝕時間的增長，腐蝕產物堆集成層，減緩了腐蝕速率。
圖6 在鹽霧腐蝕期間42CrMoA鋼的質量損失和腐蝕速率
圖7為42CrMoA鋼鹽霧腐蝕不同時間后表面3D形貌和深度曲線。鹽霧腐蝕24h后，試樣表面存在較明顯的腐蝕坑，而其四周則較為平整，為未腐蝕的基體。圖7(b)是圖7(a)中箭頭所指路徑的深度曲線，可以看到腐蝕坑的最深處有13.6μm。鹽霧腐蝕48h后，表面粗糙區域增大，腐蝕坑加深變寬，最深處為24.2μm。鹽霧腐蝕96h后，腐蝕坑最深處已經有37.2μm，試樣表面全部被腐蝕。隨著腐蝕時間的延長，腐蝕坑深度加深，鹽霧腐蝕240h后，凹坑最大深度為90.4μm。這說明，在干濕交替的鹽霧腐蝕環境中, 42CrMoA鋼的腐蝕并不是均勻的,而是形成許多點蝕坑。
圖7 鹽霧腐蝕不同時間后42CrMoA鋼表面的3D形貌和深度曲線
對圖7中表面粗糙度(Ra) 和腐蝕坑最大深度(D)數據進行統計，結果如圖8所示,并且擬合得到它們與腐蝕時間之間的關系，如式(4)和式(5)所示。
對鹽霧腐蝕240h的疲勞試樣進行原位觀察疲勞試驗，觀察疲勞微裂紋的萌生和擴展。42CrMoA鋼表面裂紋的萌生擴展情況如圖9所示。加載前，試樣表面存在大量由鹽霧腐蝕產生的腐蝕坑，試樣表面并不平整。在疲勞試驗中，當循環加載24267周次時，多條微裂紋自腐蝕坑缺口處成核，如圖9(a) 所示；隨后，這些初生的微裂紋在交變載荷的作用下不斷擴展與合并，形成了兩條尺寸較長的新裂紋，如圖9(b)所示。當循環加載 35840周次時，這兩條裂紋相互合并成為一條長裂紋，且沿著裂紋尖端向前擴展，如圖9(c)所示。
眾多研究表明，在含有Cl-的環境中，碳鋼的腐蝕包括不同階段的多反應步驟。而42CrMoA鋼在海洋鹽霧環境中的腐蝕產物主要為 γ-FeOOH、β-FeOOH、Fe3O4、Fe2O3、α-FeOOH。
在鹽霧環境中，由于存在較多的Cl-，金屬基體和腐蝕產物界面會生成部分FeOCl，其水解則會生成黃褐色球形團簇狀的腐蝕產物β-FeOOH。β-FeOOH的形成需要Cl-為其提供結構支撐，其晶體結構可容納Cl-，這也是β-FeOOH通常在濕度 較大且富含Cl-的環境中才容易形成的原因。因此，β-FeOOH是鹽霧環境中腐蝕產物演化的關鍵物質。
高含Cl-環境也會促使γ-FeOOH、β-FeOOH向紅褐色層片狀的α-FeOOH轉化，從而使銹層的密度提高。α-FeOOH是室溫下穩定性最好的羥基氧化鐵，通常作為鐵氧化物轉化的最終形態，其在42CrMoA鋼表面逐漸形成連續、均勻的銹層，對腐蝕具有一定的減緩作用。
鹽霧環境中Cl-的存在使試樣表面產生點蝕，從而導致零件橫截面積減小且產生應力集中，這將大幅度縮短裂紋萌生的啟動時間。在交變載荷的工況下，疲勞裂紋率先從表面缺陷處萌生。由于工件表面的缺陷較多，多裂紋的擴展融合也會導致工件疲勞壽命大幅度縮減。
通過干濕循環的鹽霧試驗模擬海洋浪花飛濺區和大氣區鹽霧環境，研究了42CrMoA鋼螺栓在該環境中的腐蝕行為，并利用原位觀察疲勞試驗研究了腐蝕對疲勞裂紋的萌生與擴展的影響。主要結論如下 :
(1)單位面積腐蝕質量損失與腐蝕時間呈現冪函數規律，擬合方程為M=0.88t0.59;腐蝕速率呈現初期快，后期慢的特性。
(2)42CrMoA鋼的鹽霧腐蝕是不均勻的,表面粗糙度與腐蝕時間之間呈線性關系,擬合方程為Ra=0.042t+1.42。
(3)42CrMoA鋼表面的腐蝕坑促進了疲勞裂紋的萌生和擴展，從而降低了疲勞壽命。
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