大氣環(huán)境下風(fēng)電塔筒金屬材料的應(yīng)力腐蝕
2023-05-18 15:33:08
作者：腐蝕與防護(hù) 來源：腐蝕與防護(hù)
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風(fēng)能取之不盡，用之不竭，是非常重要的一種潔凈的可再生能源。目前，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。海上風(fēng)能資源極為豐富，海上風(fēng)電具有巨大的發(fā)展空間，我國風(fēng)力發(fā)電“十二五”規(guī)劃已經(jīng)明確提出海上風(fēng)電將成為重要的發(fā)展方向。
塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要支撐結(jié)構(gòu)，在服役過程中，會經(jīng)受日光、雨水、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境因素作用，容易發(fā)生大氣腐蝕問題。
近年來，大氣環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕越來越受到重視。應(yīng)力腐蝕是指受拉伸應(yīng)力作用的金屬材料在某些特定的介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的協(xié)同作用而發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象。由于這種脆性斷裂沒有明顯的征兆，所以往往會造成災(zāi)難性的后果。
螺栓等塔筒金屬材料部件會受到拉應(yīng)力的作用，可能會發(fā)生應(yīng)力腐蝕等問題，帶來安全隱患，嚴(yán)重時會引起風(fēng)電機(jī)組倒塌等問題，從而給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，海上風(fēng)電已經(jīng)逐步開始裝機(jī)運(yùn)行，塔筒金屬材料面臨的環(huán)境更加苛刻、更復(fù)雜，應(yīng)力腐蝕已成為行業(yè)需要關(guān)注的重要研究內(nèi)容之一。
應(yīng)力腐蝕斷裂是應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用引起的金屬腐蝕斷裂現(xiàn)象。發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂通常需具備以下條件：敏感材料、特定環(huán)境和拉伸應(yīng)力，因此應(yīng)力腐蝕斷裂具有以下幾個特征：應(yīng)力是誘發(fā)應(yīng)力腐蝕的必要因素，可以是外加應(yīng)力，也可以是機(jī)加工和熱處理等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。引起應(yīng)力腐蝕的一般是拉應(yīng)力，但一些研究表明特定條件下壓應(yīng)力也能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。只有當(dāng)某種特定的金屬在特定的腐蝕介質(zhì)中時，才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。但是如果沒有應(yīng)力存在，金屬在其特定腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速度是很緩慢的。會導(dǎo)致脆性斷裂應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力一般較小，其端口形貌表現(xiàn)出典型的脆性斷裂特征，斷裂前沒有大的變形，應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的脆斷可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。
應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展速度大于金屬腐蝕速度。在裂紋產(chǎn)生初期，其擴(kuò)展速度是緩慢的，但當(dāng)達(dá)到一定臨界尺寸時，裂紋會迅速擴(kuò)張，直到超過金屬材料承受極限突然斷裂。
應(yīng)力腐蝕一般都發(fā)生在特殊的電位區(qū)間
通過電化學(xué)試驗(yàn)可以知道，特定金屬與介質(zhì)的組合，只有在特定的電位區(qū)間范圍內(nèi)才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕，因此可以通過電化學(xué)方法來改變電位區(qū)間，達(dá)到控制應(yīng)力腐蝕的目的。
應(yīng)力腐蝕主要分為陽極溶解和氫致開裂兩大體系。例如奧氏體不銹鋼在含Cl-溶液中的應(yīng)力腐蝕屬于陽極溶解型，高強(qiáng)度合金鋼在水介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕屬于氫致開裂型。
在應(yīng)力的協(xié)助或協(xié)同作用下，加速金屬活化區(qū)的溶解而導(dǎo)致斷裂的機(jī)理，統(tǒng)稱為陽極溶解機(jī)理。陽極金屬的不斷溶解導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕裂紋的形核和擴(kuò)展。但關(guān)于陽極溶解是如何發(fā)生，應(yīng)力在腐蝕過程中如何作用，是一系列非常復(fù)雜的問題，目前已經(jīng)提出了各種不同的陽極溶解模型，如滑移-溶解理論、膜破裂、蠕變等從不同的角度解釋應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生機(jī)理。
滑移-溶解理論認(rèn)為金屬在腐蝕介質(zhì)中會形成一層鈍化膜，在應(yīng)力的共同作用下，位錯發(fā)生滑移，由此產(chǎn)生的滑移臺階會導(dǎo)致表面膜破裂，露出裸露的金屬，作為陽極發(fā)生溶解，然后會形成新的保護(hù)膜。
在應(yīng)力作用下位錯繼續(xù)滑移，導(dǎo)致保護(hù)膜再次破裂，陽極再次溶解。通過這一循環(huán)過程，應(yīng)力腐蝕裂紋不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展。膜破裂理論認(rèn)為金屬表面的鈍化膜不是由位錯滑移而破裂，而是在應(yīng)力與活性粒子作用下導(dǎo)致鈍化膜破裂，裸露金屬表面失去保護(hù)作為陽極與其它鈍化膜表面形成腐蝕電池，從而發(fā)生溶解。
在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)持續(xù)作用下，由于陽極溶解產(chǎn)生的微裂紋不斷生長，當(dāng)達(dá)到臨界值將發(fā)生腐蝕斷裂。對沿晶應(yīng)力腐蝕敏感的材料來說，由于晶界附近缺陷和雜質(zhì)較多，在腐蝕介質(zhì)中極易優(yōu)先產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。
氫致開裂機(jī)理或稱氫脆機(jī)理，是應(yīng)力腐蝕斷裂的第二種機(jī)理。金屬在腐蝕過程中陰極反應(yīng)生成的氫吸附在金屬材料表面并擴(kuò)散到內(nèi)部，產(chǎn)生氫應(yīng)變鐵素體或高活化氫化物，對高強(qiáng)度鋼等對氫脆敏感度高的材料，會使材料脆化而出現(xiàn)裂紋，并沿氫脆部位不斷擴(kuò)展導(dǎo)致破裂。
但在一些陽極溶解為主導(dǎo)的應(yīng)力腐蝕體系中，腐蝕過程中析出的氫原子不足以導(dǎo)致氫致開裂，但可對材料的電化學(xué)性能、應(yīng)力腐蝕性能產(chǎn)生影響。因此，氫在不同材料應(yīng)力腐蝕斷裂中所起的作用要根據(jù)實(shí)際情況分析，有些體系中以氫脆為主，有些體系中以陽極溶解為主。
針對每種金屬材料，只有在特定的介質(zhì)中才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕。因此，通常以環(huán)境特點(diǎn)命名一些金屬材料的應(yīng)力腐蝕，例如低碳鋼在硝酸鹽溶液中的硝脆、奧氏體不銹鋼在含Cl-溶液中的氯脆、高強(qiáng)度鋼在酸性或中和NaCl水介質(zhì)中的氫脆。海上風(fēng)電是我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展方向，對于海上風(fēng)電而言，其塔筒處于海洋性大氣環(huán)境中，空氣中的Cl-含量相對較高，因此，以下重點(diǎn)介紹Cl-對金屬材料應(yīng)力腐蝕性能的影響。在典型大氣環(huán)境下進(jìn)行預(yù)制裂紋應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)，可以很準(zhǔn)確的得到試樣的應(yīng)力腐蝕性能。但由于周期較長，故往往采取實(shí)驗(yàn)室加速實(shí)驗(yàn)方法。氯化物對于金屬材料應(yīng)力腐蝕性能的影響一方面是由于氯化物具有很強(qiáng)的吸濕性，能夠從大氣中吸附水分，溶于金屬表面的薄液膜形成強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)，對金屬的應(yīng)力腐蝕造成很大影響。另外Cl-活化作用較強(qiáng)，離子半徑小，穿透力強(qiáng)，很容易透過膜內(nèi)極小的孔隙，直接與金屬發(fā)生反應(yīng)，生成可溶性化合物。又由于Cl-具有很強(qiáng)的、易被金屬吸附的能力，它能優(yōu)先被金屬吸附并從金屬表面把氧排擠掉，從而導(dǎo)致被蝕金屬表面供氧不足，保護(hù)膜不能及時得到修復(fù)，這樣腐蝕就會一直發(fā)展下去。
同時在外加應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力作用下，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。Cl-的應(yīng)力腐蝕機(jī)理很復(fù)雜，現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)是膜破裂機(jī)理、陽極溶解型機(jī)理和氫致開裂型機(jī)理，在實(shí)際情況下也有可能兩種或更多的機(jī)理共同作用，這就需要根據(jù)實(shí)際情況具體進(jìn)行分析，并找出相應(yīng)的對策。
氯化物的濃度和溫度對應(yīng)力腐蝕有很大的影響。在同一溫度下，隨氯化物濃度的增加，氯脆的敏感性增大。由于沸點(diǎn)與濃度有關(guān)，沸點(diǎn)升高，氯脆敏感性也隨之增大；但濃度過高，反而使斷裂時間延長，這可能與氯離子的水和程度有關(guān)。pH值對應(yīng)力腐蝕也有一定影響。通常pH值越低，材料應(yīng)力腐蝕傾向越大。但如果整體溶液pH值過低（小于2），有可能造成全面腐蝕，反而不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂需要同時具備以下因素：敏感材料、特定的介質(zhì)環(huán)境和拉應(yīng)力，因此防止發(fā)生應(yīng)力腐蝕就要從上述三個因素著手，只要能夠消除或改善其中的某一要素，就可以有效避免發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。選擇材料要優(yōu)先考慮在特定環(huán)境中對應(yīng)力腐蝕不敏感的材料，例如低合金鋼在海洋大氣環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕敏感性較低，可以優(yōu)先考慮用在對應(yīng)力腐蝕要求較嚴(yán)格的部件中。有些情況下可以通過調(diào)整金屬的組織、成分來減小材料的應(yīng)力腐蝕敏感性，例如在鋼中適當(dāng)提高碳含量可以提高金屬的耐應(yīng)力腐蝕性能，但同時也要考慮到對強(qiáng)度的影響；也可以通過熱處理等工藝改善組織結(jié)構(gòu)、細(xì)化晶粒、減少晶間缺陷等方法來降低金屬應(yīng)力腐蝕敏感性。盡量減少環(huán)境對材料的影響，改善腐蝕介質(zhì)與材料的接觸環(huán)境可以有效的避免或延緩應(yīng)力腐蝕發(fā)生，可以采用加緩蝕劑或保護(hù)層（涂層或鍍層）等方法防止應(yīng)力腐蝕。一些緩蝕劑對于腐蝕有很好的緩蝕作用，能有效減緩裂紋擴(kuò)展，還能縮小發(fā)生應(yīng)力腐蝕的電位區(qū)間。在材料表面施加涂鍍層可以有效隔離材料與環(huán)境的接觸，從而避免腐蝕。也可以采用陰極保護(hù)電化學(xué)的方法可以改變材料所處的電位區(qū)間，使材料的電位落在“安全”電位區(qū)間，保護(hù)材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕。由于高溫環(huán)境對應(yīng)力腐蝕有負(fù)面作用，通過降低使用溫度也可以一定程度降低應(yīng)力腐蝕影響。另外采取措施適當(dāng)提高環(huán)境的pH值也可以一定程度減少發(fā)生應(yīng)力腐蝕的幾率。在應(yīng)力腐蝕中，應(yīng)力這個因素非常復(fù)雜，在材料加工、裝配、工作等環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生，包括殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力、工作應(yīng)力等多種形式。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮避免應(yīng)力集中，盡量使構(gòu)件各部位受力均勻，危險結(jié)構(gòu)處要注重去除或減輕拉應(yīng)力，必要時可視實(shí)際情況適當(dāng)增加壓應(yīng)力。
施工過程中要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，盡量避免安裝應(yīng)力和局部應(yīng)力集中，注意焊接過程中盡量不要產(chǎn)生熱應(yīng)力。
在工作運(yùn)行中要按照操作規(guī)范合理使用，盡量避免超載運(yùn)行，涂鍍層工件要減少表面損傷，以免誘發(fā)應(yīng)力腐蝕。
風(fēng)機(jī)的很多部件如塔架等是由高強(qiáng)度螺栓連接，裝配過程中會對其施加一定的預(yù)緊力，但預(yù)緊力過大會導(dǎo)致螺栓表面鍍層開裂，會使螺栓失去保護(hù)，如何在保證強(qiáng)度的同時避免保護(hù)層破壞，也是需要考慮的問題。多年來，根據(jù)各種金屬材料在不同環(huán)境中表現(xiàn)出的應(yīng)力腐蝕特性，發(fā)展出了很多種試驗(yàn)方法。根據(jù)加載方法的不同，可以分為恒應(yīng)變法、恒載荷法和慢應(yīng)變速率法。使用恒應(yīng)變法和恒載荷法試樣所受應(yīng)力往往與實(shí)際工況有所偏差，不能很好地反應(yīng)出材料對應(yīng)力腐蝕敏感性。目前應(yīng)用較多的試驗(yàn)方法是慢應(yīng)變速率法。慢應(yīng)變速率法能夠提供迅速激發(fā)材料應(yīng)力腐蝕敏感性，使試樣在很短的時間內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，因此是一種相當(dāng)苛刻的加速試驗(yàn)方法。與恒應(yīng)變法和恒載荷法比較，慢應(yīng)變速率法對應(yīng)力腐蝕有較高的敏感性，可以定量分析材料應(yīng)力腐蝕性能。慢應(yīng)變速率試驗(yàn)方法可以在實(shí)驗(yàn)過程施加溫度、電極電位和溶液pH值等，由此分析各種因素對應(yīng)力腐蝕過程的影響。針對不同的金屬材料，應(yīng)選擇不同的介質(zhì)來研究應(yīng)力腐蝕性能。目前，對于高強(qiáng)鋼在海水或海洋大氣中應(yīng)力腐蝕已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。對于海上風(fēng)電的塔筒和高強(qiáng)度螺栓，可能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的是海水及周圍大氣中的Cl-，一般會選擇在3.5%的NaCl溶液中進(jìn)行慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，用于模擬研究海洋環(huán)境中存在Cl-時材料的應(yīng)力腐蝕敏感性。也可以進(jìn)行人工加速試驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在鹽霧環(huán)境中對試驗(yàn)樣品加載一定應(yīng)力，經(jīng)過一段時間對比材料腐蝕形貌、涂層破裂等來分析材料在鹽霧環(huán)境中應(yīng)力腐蝕性能。經(jīng)過慢應(yīng)變速率試驗(yàn)后試樣的斷口需要進(jìn)行掃描電鏡觀察，應(yīng)力腐蝕斷口和正常拉伸斷口有明顯不同，通過觀察斷口形貌中準(zhǔn)解理形貌所占的比例來判斷材料的應(yīng)力腐蝕敏感性。
例如圖上的斷口形貌為混合斷口，即同時存在韌窩與準(zhǔn)解理形貌，而不同于在空氣中的韌窩斷口形貌。從圖中可以觀察到脆性斷裂的特征——準(zhǔn)解理斷口形貌，因此可以認(rèn)為X-42鋼在0.5mol/L Na2CO3+1mol/L NaHCO3溶液中有明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。
風(fēng)電塔筒長期在戶外運(yùn)行，其金屬材料的應(yīng)力腐蝕是需要關(guān)注的問題，一般來說，金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕需具備敏感材料、特定環(huán)境和拉伸應(yīng)力這三個條件，從而螺栓等塔筒金屬材料部件容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕問題。對于海上風(fēng)電而言，由于海洋大氣中含有濃度較高的氯離子，則應(yīng)采取措施以防護(hù)氯離子引起的應(yīng)力腐蝕問題。
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