海上風電用42CrMo軸承鋼的電化學行為
2025-06-20 14:55:09
作者：何武豪，郭同翰，馮宇芹?，孫美慧，楊思懿，周溢，吳偉 來源：腐蝕與防護
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海上風力發電不僅有助于減少對化石燃料的依賴，降低溫室氣體排放，還可以有效緩解陸地空間緊張的問題，增強能源供應的穩定性和安全性。然而，海上風電設施面臨著比陸地風電更為苛刻的環境條件，如鹽霧、濕度、溫度、風力和海浪等，這些因素極大地增加了設備的維護難度和成本，尤其對風電機組中的金屬部件，如軸承、塔筒等。隨著海上風電機組裝機量增加，風電機組的故障率和可靠性也越來越受到重視，其中軸承故障已經成為影響風電機組可靠性的關鍵。
軸承是海上風力發電機組的核心部件之一，也是最薄弱的環節之一。據統計軸承類故障占我國風力發電機組總故障的74%，而腐蝕因素占約40%，其中不乏運行不到3a即失效的案例。服役壽命遠不如預期(風電行業要求20a)，導致風機長期停運甚至提前報廢。海上風電軸承部件服役工況復雜且惡劣，在靜態條件下，風機軸承持續受到C4級及以上腐蝕性等級的海洋環境腐蝕作用，部分軸承(如變槳、偏航軸承)直接暴露于海洋大氣環境，受到高濕、高鹽、長時間潤濕的多重作用，腐蝕性等級達到甚至超過C5級。在工作狀態下，風機軸承還將承受機器運轉導致的高溫度、復雜工作載荷的耦合作用。風機運行時，艙內溫度將隨著機器啟動及轉速提升發生改變，軸承部件的環境溫度將在30~70℃波動，最高可能達到80℃。與此同時，軸承部件轉動時還將承受高沖擊、振動及徑向接觸應力等載荷耦合作用，溫度場和力場的疊加將使得其所處環境的腐蝕性更加惡劣。然而，當前大部分研究關注軸承鋼強韌性、高的抗疲勞性和耐磨性等方面，對其服役過程中的腐蝕問題缺乏系統研判和機制認識，使得海上風電機組存在巨大安全隱患，這阻礙了我國風電裝備國產化進程。
因此，筆者以42CrMo軸承鋼為研究對象，通過電化學測試、腐蝕形貌分析等對其在模擬海洋環境中的電化學行為進行了研究，并針對軸承運轉時帶來的溫度變化對其腐蝕行為的影響進行了探究，相關研究結果有助于加深對海上風電軸承部件腐蝕失效的認識，為海上風電裝備發展提供支撐和幫助。
試驗用軸承材料為42CrMo合金鋼板，其主要成分如表1所示。從鋼板上切取尺寸為10mm×10mm×3mm的塊狀樣品，通過SiC砂紙逐級(至 2000號) 打磨，機械拋光至鏡面，隨后用去離子水和酒精依次清洗表面。將拋光后的試樣表面通過4% (體積分數)硝酸酒精侵蝕8~10s，將其置于光學顯微鏡(光鏡)下觀察金相組織,結果如圖1所示。由圖1可知，42CrMo鋼的微觀組織主要由板條狀貝氏體和針狀鐵素體組成，未觀察到明顯的夾雜物和奧氏體晶界特征。
選用傳統的三電極體系在CS350M電化學工作站上進行電化學測試，其中：42CrMo鋼為工作電極，飽和甘汞電極(SCE) 為參比電極，Pt片為對電極。從鋼板上切取尺寸為10mm×10mm×3mm的塊狀樣品，用導線焊接后，環氧樹脂密封暴露1cm2的工作面積，并將工作面用砂紙逐級(至1500號) 打磨。將工作電極浸泡在3.5%(質量分數，下同) NaCl溶液中，測試溫度為25，30，40，50，60，70℃，測試時間分別為0，3，7，15，30天。電化學阻抗譜(EIS)和極化曲線測試前，先開展至少20min的開路電位(OCP)測試，以判斷系統是否達到穩定。隨后，在不同條件下進行EIS測試， 擾動電位為10mV，測試頻率為0.01Hz~100kHz。動電位極化測試的電位掃描范圍為-0.4~0.5V(相對于OCP)，掃描速率為0.5mV/s。
從42CrMo鋼板上切取尺寸為25mm×10mm×3mm的矩形試樣，用砂紙逐級(至1500號)打磨，置于3.5%NaCl溶液中分別浸泡3，7，15，30天，試驗溫度為25℃。浸泡結束后取出試樣，置于光學顯微鏡下觀察其表面腐蝕產物形貌，隨后利用除銹液去除表面腐蝕產物，觀察其腐蝕形貌特征。
圖2為42CrMo鋼在不同溫度下的OCP曲線。由圖2可知，各溫度條件下，42CrMo鋼的OCP均快速降低并在浸泡400s后逐漸趨于穩定。25℃時，42CrMo鋼的OCP約為-0.585V，隨著溫度的升高，OCP逐漸降低，當溫度升至60℃和70℃時，42CrMo鋼的OCP穩定-0.7 V,相較于25℃時的降低了約115mV。由OCP的變化規律可知，溫度升高增加了42CrMo鋼的電化學活性。
圖 2 42CrMo軸承鋼在不同溫度下的 OCP曲線及其穩定值
圖3為42CrMo軸承鋼在不同溫度3.5%NaCl 溶液中的EIS曲線。由圖3(a) 看出，所有溫度下42CrMo鋼的Nyquist圖均表現為一個較大的半圓弧，這通常意味著其具有容抗特征。隨著溫度升高，容抗弧的半徑迅速降低后逐漸趨于穩定。通常，容抗弧半徑降低意味著電化學反應阻力減小，即腐蝕加速。由Bode圖中的相位角變化可知，各溫度條件下，中-低頻區域均有一個較寬的峰值范圍，根據文獻，可推斷影響該電極反應過程的時間常數可能有2個。因此，本文選用圖3(a) 中的等效電路圖對所得EIS曲線進行了擬合，等效電路中各元件的含義 如下：Rs為溶液電阻，Rf 和Qf為腐蝕產物電阻和相應的常相位角元件，Rct為電荷轉移電阻，Qdl為雙電層對應的常相位角元件。依據上述等效電路擬合得到的電化學參數值如表2所示，由表可知，隨著溫度的升高，Rct從4020Ω·cm2迅速降低并逐漸穩定在500Ω·cm2附近。Rct反映金屬失去電子的困難程度，其值越小意味著金屬耐蝕性越差。顯然，溫度升高降低了3.5%NaCl溶液中42CrMo軸承鋼的耐蝕性，這與前文OCP的變化規律保持一致。
圖 3 42CrMo軸承鋼在不同溫度下的Nyquist圖和Bode圖
為了進一步認識不同溫度下42CrMo軸承鋼的電化學反應過程，進行了相應的動電位極化曲線測試，結果如圖4所示。由圖4(a) 可知，在測試溫度范圍內(25~ 70 ℃) ，42CrMo軸承鋼的陽極均表現為金屬失去電子的活化溶解過程，而不同溫度下的陰極反應存在一定差異。在25 ℃和30℃下，42CrMo鋼的陰極過程表現出氧擴散的特征，說明其電極反應過程受到電荷轉移和傳質過程的混合控制；而當溫度升至40℃及以上時，陰極氧擴散過程消失，其電極反應過程只受到電荷轉移過程控制。出現這一現象是因為溫度升高，溶液中溶解氧的擴散加速，電極表面的反應物相對充分，因此傳質過程不再是電極反應的控制過程。依據圖4(a) 的曲線擬合得到相應的腐蝕電位Ecorr和自腐蝕電流密度Jcorr，如圖4(b) 所示。顯然,隨著溫度的升高，Ecorr降低，Jcorr增加，表明其耐蝕性降低。且Ecorr在40℃時降低了近200mV，而 Jcorr在該溫度下增加了近3倍，變化都極為顯著，表明40℃是42CrMo軸承鋼電極反應過程控制因素發生轉變的臨界溫度。
圖 4 42CrMo軸承鋼在不同溫度下的極化曲線和電化學參數
圖5為不同浸泡時間后42CrMo鋼的OCP曲線及其穩定值。由圖5(a) 可知，不同浸泡時間后，OCP均呈現先降低后逐漸穩定的趨勢。隨著浸泡時間的延長，42CrMo軸承鋼的OCP從最初的-585mV快速降低至-632mV，隨后降低幅度逐漸減小。OCP的變化說明隨著浸泡時間的延長，42CrMo軸承鋼的耐蝕性逐漸降低。
圖 5 42CrMo軸承鋼在不同浸泡時間下的OCP曲線及其穩定值
不同浸泡時間下，42CrMo鋼的EIS曲線如圖6所示。在30d的浸泡周期下，42CrMo鋼的Nyquist曲線都呈現出一個典型的容抗弧，且隨著浸泡時間的延長，容抗弧的半徑明顯減小，說明電極反應的阻力減小，瞬時的腐蝕速率增加。各浸泡時間條件下，相位角在中低頻區域出現了較寬的峰，且隨著浸泡時間的延長，最大峰值處對應的頻率越來越小。根據前人文獻報道，選用圖6(a)中的等效電路對EIS曲線進行擬合，等效電路中各元件的含義與上述圖3(a) 中一致。利用該等效電路擬合得到的電化學參數見表3。由表3可知，浸泡初期42CrMo鋼的Rct較大，即電荷轉移過程困難，耐蝕性較好；隨著浸泡時間的延長，Rct快速降低，浸泡30天時，Rct僅為1219Ω·cm2。相比之下，隨著浸泡時間的延長，試樣表面的腐蝕產物膜電阻Rf逐漸增加，說明腐蝕產物膜的積累逐漸提高了其保護性。但相比于Rct的降低幅度，Rf的增幅極小，Rf值始終低于40Ω·cm2。由此可知，表面腐蝕產物膜提供的保護性不足以彌補其自身電荷轉移阻力的損失，42CrMo鋼的耐蝕性隨著浸泡時間的延長而降低。
圖 6 42CrMo軸承鋼在不同浸泡時間下的 Nyquist和 Bode圖
圖7對比了浸泡0天和30天后42CrMo軸承鋼的動電位極化曲線。由該圖可知，浸泡0天時，陽極過程以活化溶解為主，陰極出現了吸氧反應和氧擴散過程。而浸泡30天后，42CrMo鋼的陽極出現了一個近似鈍化的特征，但該區域的電流密度較高，且鈍化區間的電位相對較負，為-0. 6~-0. 9 V，一般認為這是由于表面腐蝕產物膜提供的阻力。通過擬合分析，得到了不同浸泡時間下42CrMo鋼的Ecorr和Jcorr，浸泡0天時，42CrMo鋼的Ecorr-485.16mV，Jcorr為-2.75μA/cm2；而浸泡30d時，Ecorr迅速降低至-966.30mV，降幅近500mV，而Jcorr迅速升34.80μA/cm2，增幅近15倍。Ecorr和Jcorr的變化也證實隨著浸泡時間的延長，42CrMo鋼的電化學活性顯著增加，而耐蝕性則大大降低。
圖7 42CrMo軸承鋼浸泡0d和30d后的極化曲線和擬合的電化學參數
圖8為42CrMo鋼在3.5%NaCl溶液中浸泡不同時間后的表面腐蝕形貌。由圖可知，浸泡3天時，42CrMo鋼表面的局部位置已經出現紅褐色的腐蝕產物，且表現出點狀腐蝕特征；隨著浸泡時間的延長，腐蝕產物逐漸增多，產物覆蓋面積增大，且產物顏色由紅褐色或褐色逐漸轉變成黃褐色，說明其腐蝕產物以Fe的氧化物為主。去除腐蝕產物后，42CrMo鋼的表面形貌見圖9，可見42CrMo鋼表面以局部腐蝕特征為主，伴隨明顯的點蝕坑。腐蝕初期，如浸泡3天時, 表面的點蝕坑尺寸較小，數量也較少，但隨著浸泡時間的延長，點蝕坑數量逐漸增多，且點蝕坑直徑變大，深度加深。這一形貌特征變化說明42CrMo鋼的局部腐蝕隨浸泡時間的延長逐漸加重。
圖 8 42CrMo軸承鋼浸泡不同時間后的表面形貌
圖 9 42CrMo軸承鋼浸泡不同時間后去除腐蝕產物的表面形貌
(1) 隨著溫度的升高，42CrMo軸承鋼在3. 5%NaCl溶液中的電化學活性增加，電荷轉移電阻減小，腐蝕電流密度增大，腐蝕電位降低，且在40℃附近出現了電極反應控制過程的轉變，表明其耐蝕性顯著降低。
(2) 在3.5%NaCl溶液中，隨著浸泡時間的延長，42CrMo軸承鋼腐蝕產物膜的保護性有所增強，但其電荷轉移電阻顯著降低，腐蝕電流密度增大，表明42CrMo軸承鋼的耐蝕性有所降低。
(3) 42CrMo軸承鋼在3.5%NaCl溶液中以局部腐蝕為主，隨著浸泡時間的延長，腐蝕產物逐漸增多，表面腐蝕坑數量和尺寸均增大。
作者：
何武豪1，郭同翰2，馮宇芹2 ，孫美慧3，楊思懿2，周溢2，吳偉2
工作單位：
1. 南昌工學院機械與車輛工程學院
2. 上海電力大學環境與化學工程學院上海市電力材料防護與新材料重點實驗室
3. 鞍鋼集團北京研究院有限公司
來源：《腐蝕與防護》2025年4期
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