大气环境下风电塔筒金属材料的应力腐蚀

2023-05-22 15:20:32 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

风能取之不尽，用之不竭，是非常重要的一种洁净的可再生能源。目前，风力发电已经成为我国可持续发展战略的重要组成部分。海上风能资源极为丰富，海上风电具有巨大的发展空间，我国风力发电“十二五”规划已经明确提出海上风电将成为重要的发展方向。

塔筒是风力发电机组的主要支撑结构，在服役过程中，会经受日光、雨水、腐蚀介质等环境因素作用，容易发生大气腐蚀问题。

近年来，大气环境中的应力腐蚀越来越受到重视。应力腐蚀是指受拉伸应力作用的金属材料在某些特定的介质中，由于腐蚀介质与应力的协同作用而发生的脆性断裂现象。由于这种脆性断裂没有明显的征兆，所以往往会造成灾难性的后果。

螺栓等塔筒金属材料部件会受到拉应力的作用，可能会发生应力腐蚀等问题，带来安全隐患，严重时会引起风电机组倒塌等问题，从而给企业带来巨大的经济损失。随着风电产业的发展，海上风电已经逐步开始装机运行，塔筒金属材料面临的环境更加苛刻、更复杂，应力腐蚀已成为行业需要关注的重要研究内容之一。

应力腐蚀特征及机理

应力腐蚀的特征

应力腐蚀断裂是应力与腐蚀介质协同作用引起的金属腐蚀断裂现象。发生应力腐蚀断裂通常需具备以下条件：敏感材料、特定环境和拉伸应力，因此应力腐蚀断裂具有以下几个特征：

应力特征

应力是诱发应力腐蚀的必要因素，可以是外加应力，也可以是机加工和热处理等环节产生的残余应力。引起应力腐蚀的一般是拉应力，但一些研究表明特定条件下压应力也能产生应力腐蚀。

腐蚀介质是特定的

只有当某种特定的金属在特定的腐蚀介质中时，才会发生应力腐蚀。但是如果没有应力存在，金属在其特定腐蚀介质中的腐蚀速度是很缓慢的。

脆性断裂

会导致脆性断裂应力腐蚀的临界应力一般较小，其端口形貌表现出典型的脆性断裂特征，断裂前没有大的变形，应力腐蚀产生的脆断可能导致灾难性事故。

裂纹的扩展速度较快

应力腐蚀裂纹的扩展速度大于金属腐蚀速度。在裂纹产生初期，其扩展速度是缓慢的，但当达到一定临界尺寸时，裂纹会迅速扩张，直到超过金属材料承受极限突然断裂。

应力腐蚀一般都发生在特殊的电位区间

通过电化学试验可以知道，特定金属与介质的组合，只有在特定的电位区间范围内才会发生应力腐蚀，因此可以通过电化学方法来改变电位区间，达到控制应力腐蚀的目的。

应力腐蚀的机理

应力腐蚀主要分为阳极溶解和氢致开裂两大体系。例如奥氏体不锈钢在含Cl^-溶液中的应力腐蚀属于阳极溶解型，高强度合金钢在水介质中的应力腐蚀属于氢致开裂型。

阳极溶解机理

在应力的协助或协同作用下，加速金属活化区的溶解而导致断裂的机理，统称为阳极溶解机理。阳极金属的不断溶解导致了应力腐蚀裂纹的形核和扩展。但关于阳极溶解是如何发生，应力在腐蚀过程中如何作用，是一系列非常复杂的问题，目前已经提出了各种不同的阳极溶解模型，如滑移-溶解理论、膜破裂、蠕变等从不同的角度解释应力腐蚀的产生机理。

滑移-溶解理论认为金属在腐蚀介质中会形成一层钝化膜，在应力的共同作用下，位错发生滑移，由此产生的滑移台阶会导致表面膜破裂，露出裸露的金属，作为阳极发生溶解，然后会形成新的保护膜。

在应力作用下位错继续滑移，导致保护膜再次破裂，阳极再次溶解。通过这一循环过程，应力腐蚀裂纹不断产生和扩展。膜破裂理论认为金属表面的钝化膜不是由位错滑移而破裂，而是在应力与活性粒子作用下导致钝化膜破裂，裸露金属表面失去保护作为阳极与其它钝化膜表面形成腐蚀电池，从而发生溶解。

在应力和腐蚀介质持续作用下，由于阳极溶解产生的微裂纹不断生长，当达到临界值将发生腐蚀断裂。对沿晶应力腐蚀敏感的材料来说，由于晶界附近缺陷和杂质较多，在腐蚀介质中极易优先产生应力腐蚀断裂。

氢致开裂机理

氢致开裂机理或称氢脆机理，是应力腐蚀断裂的第二种机理。金属在腐蚀过程中阴极反应生成的氢吸附在金属材料表面并扩散到内部，产生氢应变铁素体或高活化氢化物，对高强度钢等对氢脆敏感度高的材料，会使材料脆化而出现裂纹，并沿氢脆部位不断扩展导致破裂。

但在一些阳极溶解为主导的应力腐蚀体系中，腐蚀过程中析出的氢原子不足以导致氢致开裂，但可对材料的电化学性能、应力腐蚀性能产生影响。因此，氢在不同材料应力腐蚀断裂中所起的作用要根据实际情况分析，有些体系中以氢脆为主，有些体系中以阳极溶解为主。

大气中应力腐蚀的影响因素

氯离子

针对每种金属材料，只有在特定的介质中才能发生应力腐蚀。因此，通常以环境特点命名一些金属材料的应力腐蚀，例如低碳钢在硝酸盐溶液中的硝脆、奥氏体不锈钢在含Cl^-溶液中的氯脆、高强度钢在酸性或中和NaCl水介质中的氢脆。

海上风电是我国风电产业重要发展方向，对于海上风电而言，其塔筒处于海洋性大气环境中，空气中的Cl^-含量相对较高，因此，以下重点介绍Cl^-对金属材料应力腐蚀性能的影响。

在典型大气环境下进行预制裂纹应力腐蚀实验，可以很准确的得到试样的应力腐蚀性能。但由于周期较长，故往往采取实验室加速实验方法。

氯化物对于金属材料应力腐蚀性能的影响一方面是由于氯化物具有很强的吸湿性，能够从大气中吸附水分，溶于金属表面的薄液膜形成强腐蚀性的介质，对金属的应力腐蚀造成很大影响。

另外Cl^-活化作用较强，离子半径小，穿透力强，很容易透过膜内极小的孔隙，直接与金属发生反应，生成可溶性化合物。又由于Cl^-具有很强的、易被金属吸附的能力，它能优先被金属吸附并从金属表面把氧排挤掉，从而导致被蚀金属表面供氧不足，保护膜不能及时得到修复，这样腐蚀就会一直发展下去。

同时在外加应力或内应力作用下，极易发生应力腐蚀。Cl^-的应力腐蚀机理很复杂，现在研究的热点是膜破裂机理、阳极溶解型机理和氢致开裂型机理，在实际情况下也有可能两种或更多的机理共同作用，这就需要根据实际情况具体进行分析，并找出相应的对策。

温度和浓度

氯化物的浓度和温度对应力腐蚀有很大的影响。在同一温度下，随氯化物浓度的增加，氯脆的敏感性增大。由于沸点与浓度有关，沸点升高，氯脆敏感性也随之增大；但浓度过高，反而使断裂时间延长，这可能与氯离子的水和程度有关。

pH值环境

pH值对应力腐蚀也有一定影响。通常pH值越低，材料应力腐蚀倾向越大。但如果整体溶液pH值过低（小于2），有可能造成全面腐蚀，反而不易发生应力腐蚀断裂。

应力腐蚀的防护措施

发生应力腐蚀断裂需要同时具备以下因素：敏感材料、特定的介质环境和拉应力，因此防止发生应力腐蚀就要从上述三个因素着手，只要能够消除或改善其中的某一要素，就可以有效避免发生应力腐蚀断裂。

材料选择

选择材料要优先考虑在特定环境中对应力腐蚀不敏感的材料，例如低合金钢在海洋大气环境下的应力腐蚀敏感性较低，可以优先考虑用在对应力腐蚀要求较严格的部件中。有些情况下可以通过调整金属的组织、成分来减小材料的应力腐蚀敏感性，例如在钢中适当提高碳含量可以提高金属的耐应力腐蚀性能，但同时也要考虑到对强度的影响；也可以通过热处理等工艺改善组织结构、细化晶粒、减少晶间缺陷等方法来降低金属应力腐蚀敏感性。

服役环境

尽量减少环境对材料的影响，改善腐蚀介质与材料的接触环境可以有效的避免或延缓应力腐蚀发生，可以采用加缓蚀剂或保护层（涂层或镀层）等方法防止应力腐蚀。

一些缓蚀剂对于腐蚀有很好的缓蚀作用，能有效减缓裂纹扩展，还能缩小发生应力腐蚀的电位区间。在材料表面施加涂镀层可以有效隔离材料与环境的接触，从而避免腐蚀。也可以采用阴极保护电化学的方法可以改变材料所处的电位区间，使材料的电位落在“安全”电位区间，保护材料不发生应力腐蚀。由于高温环境对应力腐蚀有负面作用，通过降低使用温度也可以一定程度降低应力腐蚀影响。另外采取措施适当提高环境的pH值也可以一定程度减少发生应力腐蚀的几率。

应力

在应力腐蚀中，应力这个因素非常复杂，在材料加工、装配、工作等环节都有可能产生，包括残余应力、热应力、工作应力等多种形式。

在结构设计中必须考虑避免应力集中，尽量使构件各部位受力均匀，危险结构处要注重去除或减轻拉应力，必要时可视实际情况适当增加压应力。

施工过程中要严格按照规范进行，尽量避免安装应力和局部应力集中，注意焊接过程中尽量不要产生热应力。

在工作运行中要按照操作规范合理使用，尽量避免超载运行，涂镀层工件要减少表面损伤，以免诱发应力腐蚀。

风机的很多部件如塔架等是由高强度螺栓连接，装配过程中会对其施加一定的预紧力，但预紧力过大会导致螺栓表面镀层开裂，会使螺栓失去保护，如何在保证强度的同时避免保护层破坏，也是需要考虑的问题。

应力腐蚀的试验方法

多年来，根据各种金属材料在不同环境中表现出的应力腐蚀特性，发展出了很多种试验方法。根据加载方法的不同，可以分为恒应变法、恒载荷法和慢应变速率法。使用恒应变法和恒载荷法试样所受应力往往与实际工况有所偏差，不能很好地反应出材料对应力腐蚀敏感性。

目前应用较多的试验方法是慢应变速率法。慢应变速率法能够提供迅速激发材料应力腐蚀敏感性，使试样在很短的时间内发生应力腐蚀断裂，因此是一种相当苛刻的加速试验方法。

与恒应变法和恒载荷法比较，慢应变速率法对应力腐蚀有较高的敏感性，可以定量分析材料应力腐蚀性能。慢应变速率试验方法可以在实验过程施加温度、电极电位和溶液pH值等，由此分析各种因素对应力腐蚀过程的影响。

针对不同的金属材料，应选择不同的介质来研究应力腐蚀性能。目前，对于高强钢在海水或海洋大气中应力腐蚀已经有学者进行了大量的研究。

对于海上风电的塔筒和高强度螺栓，可能导致应力腐蚀的是海水及周围大气中的Cl^-，一般会选择在3.5%的NaCl溶液中进行慢应变速率试验，用于模拟研究海洋环境中存在Cl^-时材料的应力腐蚀敏感性。

也可以进行人工加速试验，根据相关标准在盐雾环境中对试验样品加载一定应力，经过一段时间对比材料腐蚀形貌、涂层破裂等来分析材料在盐雾环境中应力腐蚀性能。经过慢应变速率试验后试样的断口需要进行扫描电镜观察，应力腐蚀断口和正常拉伸断口有明显不同，通过观察断口形貌中准解理形貌所占的比例来判断材料的应力腐蚀敏感性。