某型鋼纜表面腐蝕的可靠性研究

楊志成(92419部隊 遼寧 興城 125106)

引言

沿海地區海洋大氣的特點，除濕度大外，鹽霧也較多，使空氣中含有大量的鹽分。離海愈近，空氣中的含鹽量愈大。這些鹽分容易吸潮，本身也易溶解，形成電解質液膜，加速合金腐蝕[1]。尤其是氯化鈉，溶解后在液膜中形成氯離子,氯離子表面活性很強，能破壞合金的鈍化膜保護層，產生更深層次的腐蝕。

一、點蝕

點蝕是局限在金屬表面上個別小點的腐蝕。 點蝕的形成過程可分為四個階段[2]:(1)在鈍化膜上以及鈍化膜或固溶體邊緣萌生點蝕;(2)在鈍化膜內萌生點蝕，此時看不到鈍化膜內有微觀變化;(3)所謂的亞穩點蝕階段，在臨界點蝕電位以下，亞穩點蝕在短時間內萌生并擴展進而發生再鈍化 (這是點蝕的一個過渡階段);(4)臨界點蝕電位以上，穩定點蝕擴展階段。由于氯離子濃度不同，蝕孔有大有小，多數為小孔或小坑，深度約幾十微米，直徑小于或等于其深度。孔的分布，在表面上有的較分散，有的較密集。

二、可靠性評價模型

本文從可靠性設計角度，僅對鋼纜在海洋環境氣候中常常發生的點腐蝕形式進行可靠性評估。由于點蝕具有高度的局部性，蝕孔有的孤立存在，有的則成群緊湊在一起，同時坑的深度變化范圍也很大，要度量和評定點蝕損傷比較困難，因此本文的有關參數采用統計方法。

1.評價模型的主要思路

(1)幾點假設

a.設金屬表面無論加工得多么平整，它們的表面仍然布滿了大小不同的凹坑。

b.每個凹坑本身形成一個“腐蝕單元”，該“單元”腐蝕到許用腐蝕量時，就認為該“單元”失效。

c.在同一表面上只要有一個”腐蝕單元”失效，則稱該表面整體失效。

d.每“腐蝕單元”之間的失效時間隨機變量互為獨立。

由于以上假設，就可以將金屬腐蝕表面視為由多個“腐蝕單元”所組成的串聯系統，即只要在n個“腐蝕單元”中有某一個單元最先發生失效，則系統發生失效。

(2)極值分布的數學推導

設從無窮母體中抽取一隨機樣品，其樣品容量為n(x1、x2、……、xn)，x的累積分布函數為F(x)(-∞ ＜x＜∞),令yn=m in(x1、x2、……、xn),即 yn是 x1、x2、……、xn的 n 個樣品試驗結果的觀測值中最小的那一個或者最先發生的那一個。yn本身也是一個隨機變量。

x的累積分布函數是F(x),

這對于yn的累積分布函數Gn(y)就是：

將上式對y微分。

2.可靠性評價模型的建立

設凹坑貫穿的時間正比于鋼纜直徑D與凹坑初始深度di之差。

設凹坑的初始深度隨機變量服從于截尾指數分布，其函數如下：

因為 1-F(d)=P(di＞ d),

又另ti是第i個凹坑的失效時間，

設ti=K(D-di)

由于G(t)=P(ti＜t)=P[K(D-di)＜t]

知d=D-t/K

可得

因為 1-e-λD=e-λD(eλD-1)，所以

設金屬腐蝕的失效時間隨機變量為t，則t=m in(tii=1，2，……，N)

當金屬腐蝕的第一個凹坑變為孔洞時，就判為失效，根據式有：

上式中T為規定的工作時間。

由于凹坑的數量非常之大，N→∞時，則有

英國 《自然》雜志近日發表了一項材料學最新研究成果：美國麻省理工學院團隊通過一種新型制造方法，將發光二極管 (LED)和傳感器直接織入了紡織級聚合物纖維中。該工藝可用于開發能夠實現光通訊和健康監測的新型可穿戴技術。能夠發射或探測光的半導體二極管是通訊和傳感器技術的基本構件。如果能將它們融入織物之中，則有望創造出新型可穿戴電子設備。然而事實證明，要將半導體器件的功能與基于纖維的紡織品的可擴展性結合起來，實屬一件棘手的事。

將式代入上式可得，

定義 α=N/(eλD-1)；γ=λ/K

則 U(t)=1-exp[- α(eγt-1)]t≥0

將式兩邊微分，

上式為凹坑失效時間密度函數。

四、鋼纜實例應用

關于鋼纜的點腐蝕可靠度評價。其已知條件是：

1.鋼纜具有：S=π(D/2)2×L=12096865mm2的海水腐蝕面積，在不考慮涂層的情況下，其最大潰瘍腐蝕速度為0.17mm/年，即腐蝕速率γ=0.17mm/年，腐蝕系數K=1/γ=5.88年/mm。

2.鋼纜材料是柔性高強度鋼，按照直徑由大到小的順序連接在一起，最小直徑為1.63mm。

3.根據現場統計，鋼纜表面凹坑平均深度為h=0.198mm。

4.設定在腐蝕面積上有凹坑數平均N=104(個)。

知被腐蝕鋼纜的可靠度為:

設定鋼纜規定的可靠度為0.9時，可得

?

小結

鋼纜由于受工藝與加工設備等多種因素的影響，其表面是凸凹不平的，因此其耐腐蝕層的深度是一個隨機變量，本文從可靠性角度出發，將參入計算過程的初始凹坑深度視為隨機變量，利用統計方法進行界定，這種方法更接近實際情況，它使受腐蝕鋼纜的安全使用更加可靠。

[1]朱絨霞.沿海地區飛機鋁合金部件點蝕坑形成的探討[J].裝備環境工程,Vol.1,No.3,2004.

[2]陳學群，孔小東，楊思誠.硫化物夾雜對低碳鋼坑孔的腐蝕擴展的影響［J］.中國腐蝕與防護學報，2000.4(2)：65-73.

[1]注：楊志成，男，工程師，碩士研究生，研究方向是金屬材料。