淺談海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)腐蝕疲勞及早期檢測(cè)

文 | 張鋼 ，馮寶平，劉碧燕

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淺談海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)腐蝕疲勞及早期檢測(cè)

文 | 張鋼 ，馮寶平，劉碧燕

隨著海上風(fēng)電的大力發(fā)展，海上機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成為生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)管理者日益關(guān)注的重要課題。海上機(jī)組處于海水、鹽霧的苛刻海洋腐蝕環(huán)境，加上機(jī)組根據(jù)風(fēng)力大小、風(fēng)向變化而頻繁啟停、偏航，機(jī)組隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)腐蝕疲勞、危害機(jī)組健康的情況，因此，對(duì)腐蝕疲勞進(jìn)行早檢測(cè)、早發(fā)現(xiàn)、早處理勢(shì)在必行。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)出裂紋，包括腐蝕疲勞裂紋，但傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法需要去除防腐油漆、表面打磨光滑，不適于腐蝕環(huán)境下的海上機(jī)組基礎(chǔ)。如何采用既不傷害油漆防腐系統(tǒng)，又能有效檢測(cè)腐蝕疲勞，是海上風(fēng)電人員必須面對(duì)和解決的問(wèn)題。

腐蝕疲勞和腐蝕疲勞斷裂

一、定義

腐蝕疲勞：又稱為交變應(yīng)力腐蝕，是材料在腐蝕介質(zhì)中承受交變載荷所產(chǎn)生的疲勞破壞現(xiàn)象。鋼構(gòu)在周期應(yīng)力與腐蝕環(huán)境的聯(lián)合作用下，疲勞極限大大下降（見圖1），產(chǎn)生脆性斷裂并擴(kuò)展，引起過(guò)早破裂，稱為腐蝕疲勞。這種破壞要比單純交變應(yīng)力或單純腐蝕造成的破壞嚴(yán)重得多。

腐蝕疲勞斷裂：腐蝕疲勞損傷在構(gòu)件內(nèi)逐漸積累，導(dǎo)致初始疲勞裂紋的形成、擴(kuò)展，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到臨界值時(shí)，難以承受外載，裂紋發(fā)生快速擴(kuò)展，以至構(gòu)件斷裂。

二、腐蝕疲勞的特征

腐蝕疲勞多起源于表面腐蝕坑或缺陷，由蝕孔起源、垂直于應(yīng)力方向叢狀分布，屬于多源疲勞，眾多深孔、裂縫多條，縫邊呈鋸齒形。當(dāng)應(yīng)力較小、腐蝕為主時(shí)，裂紋端部多呈圓鈍狀；反之則端部略尖。斷口上既有腐蝕破壞特征，又有疲勞破壞特征：有腐蝕產(chǎn)物、腐蝕坑、腐蝕溝、槽式臺(tái)階以及疲勞弧帶、疲勞溝紋、疲勞臺(tái)階等。不像疲勞斷口粗糙、沒(méi)有收縮減薄現(xiàn)象。微觀上疲勞裂紋通常為穿晶型的，不分枝或很少分枝。

金屬材料在任何腐蝕環(huán)境中都會(huì)產(chǎn)生腐蝕疲勞，如：碳鋼、低合金鋼等。鋼的強(qiáng)度愈高，其腐蝕疲勞的敏感性相對(duì)愈大。

腐蝕疲勞不需要特定的腐蝕系統(tǒng)。四種不同環(huán)境下的S-N曲線（圖2）顯示：真空、空氣、預(yù)先浸蝕的疲勞極限依次下降；腐蝕疲勞下材料斷裂的交變應(yīng)力大大下降，且不存在疲勞極限。交變應(yīng)力的加載頻率越低、平均應(yīng)力越大、材料強(qiáng)度越高，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率越高。

三、腐蝕疲勞的危害

腐蝕疲勞斷裂，既不同于應(yīng)力腐蝕破壞，也不同于機(jī)械疲勞，同時(shí)也不是腐蝕和機(jī)械疲勞兩種因素作用的簡(jiǎn)單疊加。腐蝕疲勞的最后斷裂階段是純機(jī)械性的，與介質(zhì)無(wú)關(guān)。腐蝕疲勞斷裂是脆性斷裂，斷口附近無(wú)塑變，即：腐蝕疲勞斷裂發(fā)生前，不會(huì)有明顯的宏觀塑性變形作為警示性先兆，這是腐蝕疲勞的最大危險(xiǎn)點(diǎn)所在。

四、腐蝕疲勞的預(yù)防措施

減少腐蝕疲勞，首先是選擇防腐材料；其次是通過(guò)噴丸等表面處理工藝降低表面殘余應(yīng)力，如熱噴鋅、鋁，防腐涂層、包覆防腐等，任何提高材料防腐性能的措施都對(duì)提高腐蝕疲勞強(qiáng)度有利。對(duì)于不能預(yù)防、無(wú)法避免的腐蝕疲勞，則只能通過(guò)早期檢測(cè)，早發(fā)現(xiàn)、早處理，以保證安全運(yùn)行。

腐蝕疲勞的早期檢測(cè)

腐蝕疲勞的早期檢測(cè)，主要通過(guò)無(wú)損檢測(cè)（NDT）進(jìn)行，即：利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下，檢測(cè)其中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，進(jìn)而判定被檢對(duì)象是否合格、剩余壽命等狀態(tài)的所有技術(shù)手段的總稱。

無(wú)損檢測(cè)方法很多，常規(guī)的有五種：射線照相檢驗(yàn)（RT）、超聲波檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）和液體滲透檢測(cè)（PT）、渦流檢測(cè)（ET）。為提高無(wú)損檢測(cè)結(jié)果可靠性，應(yīng)根據(jù)設(shè)備材質(zhì)、制造方法、工作介質(zhì)、使用條件和失效模式，預(yù)計(jì)可能產(chǎn)生的缺陷種類、形狀、部位和取向，選擇合適的無(wú)損檢測(cè)方法。并盡可能幾種檢測(cè)結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以保障設(shè)備安全運(yùn)行。

一、五大常規(guī)檢測(cè)方法

（一）超聲波檢測(cè)（UT）

超聲波檢測(cè)，主要基于超聲波在試件中的傳播特性。當(dāng)有氣孔、裂紋、分層或夾雜時(shí)，超聲波傳播到缺陷的界面處就會(huì)全部或部分反射。反射回來(lái)的超聲波被探頭接收，通過(guò)儀器內(nèi)部的電路處理，在儀器的熒光屏上顯示出不同高度、一定間距的波形，從而判斷工件中缺陷的深度、位置和形狀。優(yōu)點(diǎn)：適于金屬、非金屬、復(fù)合材料；穿透力強(qiáng)，可測(cè)較大厚度；可定位、定量，適于面積型缺陷；靈敏度高、成本低、速度快、輕便、無(wú)害。缺點(diǎn)：顯示不直觀，要求表面平滑，不便保存。

（二） 磁粉檢測(cè)（MT）

磁粉檢測(cè)，通過(guò)對(duì)被檢工件施加磁場(chǎng)使其整體或局部磁化，在工件的表面和近表面的裂紋、夾雜、氣孔、未熔合未焊透等缺陷處則有磁力線逸出而在表面形成漏磁場(chǎng)，吸附磁粉形成聚集磁痕，從而顯示出缺陷的位置、形狀和大小。優(yōu)點(diǎn)：適用于檢測(cè)鐵磁性材料、表面和近表面的缺陷，成本低、操作便利、反應(yīng)快速。缺點(diǎn)：不能檢測(cè)非磁性材料，無(wú)法探知缺陷深度，有電磁輻射。

（三） 渦流檢測(cè)（ET）

渦流檢測(cè)，利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)測(cè)定被檢工件內(nèi)感生渦流的變化來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷。將通有交流電的線圈置于待測(cè)的金屬板上或套在待測(cè)的金屬管外，線圈內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使試件中產(chǎn)生呈旋渦狀的感應(yīng)交變電流，稱為渦流。渦流的大小與金屬材料內(nèi)部的缺陷形態(tài)有關(guān)。優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)時(shí)線圈不需與被測(cè)物直接接觸，可進(jìn)行高速檢測(cè)。缺點(diǎn)：不適用于形狀復(fù)雜的零件，只能檢測(cè)表面缺陷。

（四） 滲透檢測(cè)（PT）

零件表面被施涂含有熒光染料或著色染料的滲透劑，毛細(xì)管作用下滲透液進(jìn)入表面開口缺陷中；除去多余滲透液，施涂顯像劑，缺陷中的滲透液回滲到顯像劑中，在光源下缺陷處的滲透液痕跡被顯示，從而探測(cè)出缺陷的形貌及分布狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：可檢測(cè)各種材料，靈敏度高、顯示直觀、操作方便。缺點(diǎn)：程序繁瑣、速度慢、靈敏度低于磁粉檢測(cè)，只能檢出表面開口的缺陷。

（五） 射線照相檢測(cè)（RT）

射線包括X射線、γ射線、中子射線，能穿透肉眼無(wú)法穿透的物質(zhì)使膠片感光，使膠片乳劑層中的鹵化銀產(chǎn)生潛影。由于不同密度的物質(zhì)對(duì)射線的吸收系數(shù)不同，照射到膠片各處的射線能量也就會(huì)產(chǎn)生差異，便可根據(jù)暗室處理后的底片各處黑度差來(lái)判別缺陷。優(yōu)點(diǎn)：有直觀圖像，定性、定量準(zhǔn)確，記錄可長(zhǎng)期保存；對(duì)氣孔、夾渣等體積型缺陷檢出率很高；適宜較薄的工件；不適宜角焊縫。缺點(diǎn)：對(duì)未焊透、未熔合、裂紋等面積型缺陷，若角度不當(dāng)易漏檢；適宜對(duì)接焊縫；對(duì)厚度方向的缺陷檢測(cè)困難；成本高、速度慢；輻射對(duì)人體有害。

二、非常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法

非常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法有：聲發(fā)射檢測(cè)（AE）、衍射波時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)（TOFD）、泄漏檢測(cè)（LT）、導(dǎo)波檢測(cè)（GWT）、熱像/紅外（TIR）、交流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)（ACFMT）、漏磁檢驗(yàn)（MFL）、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試檢測(cè)方法（RFT）。

海上風(fēng)電無(wú)損檢測(cè)的需求及應(yīng)用

一、海上風(fēng)電基礎(chǔ)腐蝕形式

海上風(fēng)電基礎(chǔ)采用熱軋低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，材質(zhì)選用Q345D，采用雙面焊坡口，全焊透，按《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。為防止焊接質(zhì)量問(wèn)題，采取控制預(yù)熱、層間溫度、后熱保溫措施及焊接線能量等消除焊接殘余應(yīng)力措施。

海洋氣候下的機(jī)組鋼構(gòu)基礎(chǔ)，腐蝕加速了疲勞損傷，疲勞載荷又加速了腐蝕進(jìn)程。嚴(yán)格地說(shuō)，包括空氣在內(nèi)的各種氣體環(huán)境或液體環(huán)境中的疲勞都屬于腐蝕疲勞。金屬結(jié)構(gòu)在海水中的疲勞破壞是一種典型的腐蝕疲勞破壞，其破壞機(jī)理和空氣中的疲勞破壞機(jī)理是明顯不同的，當(dāng)然壽命也不會(huì)一樣，在海上中部存在疲勞強(qiáng)度極限。海水腐蝕疲勞破壞機(jī)理主要是電化學(xué)作用。

海洋環(huán)境中各種鋼鐵結(jié)構(gòu)物，因腐蝕破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物失效的事例很多，原因主要有三方面：金屬材料、環(huán)境、設(shè)計(jì)。金屬材料原因有：有害元素超標(biāo)，熱處理不當(dāng)，加工工藝不合理導(dǎo)致表面有殘余應(yīng)力、裂紋或裂痕，連接材料匹配不合理，表面污損。環(huán)境因素有：介質(zhì)氧化性太強(qiáng)，環(huán)境腐蝕性強(qiáng)，特殊環(huán)境因子的影響，如振動(dòng)、空泡、疲勞、殘余應(yīng)力和周期應(yīng)力，微型和大型生物影響，雜散電流，金屬所處位置不同，如海泥區(qū)、深水區(qū)及表層水域。設(shè)計(jì)方面有：縫隙的影響如鋼纜、軸承、套管、蓋、螺栓等，恒應(yīng)力和周期循環(huán)交變應(yīng)力影響，金屬不合理匹配，陰極保護(hù)電位較低。

二、海上風(fēng)電基礎(chǔ)運(yùn)行期間的無(wú)損檢測(cè)要求

根據(jù)挪威船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)DNV-OS-J101的海上風(fēng)電運(yùn)行設(shè)備防腐檢查要求，每5年應(yīng)安排無(wú)損檢測(cè)。海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)，尤其是多管樁鋼構(gòu)基礎(chǔ)受力復(fù)雜，運(yùn)行中極易產(chǎn)生危險(xiǎn)性缺陷。尤其是運(yùn)行中受應(yīng)力大的構(gòu)件，如導(dǎo)管架的斜撐桿上端相貫線位置，應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行焊縫無(wú)損檢測(cè)（見圖3），以掌握鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的健康狀況。

海上機(jī)組基礎(chǔ)無(wú)損檢測(cè)存在其特殊性：重防腐涂層厚度大（800μm以上），檢測(cè)難度大；嚴(yán)峻的海上風(fēng)電腐蝕環(huán)境，不利于油漆修補(bǔ)質(zhì)量，技術(shù)上要求不破壞油漆涂層、帶油漆進(jìn)行的無(wú)損檢測(cè)方法。而傳統(tǒng)的超聲波、磁粉等無(wú)損檢測(cè)方法，都需要打磨涂層才能達(dá)到檢測(cè)靈敏度。脈沖電磁法應(yīng)運(yùn)而生，滿足了海上風(fēng)電基礎(chǔ)的無(wú)損檢測(cè)要求。

三、脈沖電磁法無(wú)損檢測(cè)在海上風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用

（一） 脈沖電磁法無(wú)損檢測(cè)

檢測(cè)原理：磁化裝置對(duì)被檢構(gòu)件表層進(jìn)行磁化，當(dāng)傳感器掃查至表面裂紋處，即產(chǎn)生漏磁場(chǎng)；檢測(cè)線圈對(duì)漏磁場(chǎng)感應(yīng)并轉(zhuǎn)變成電信號(hào)；電信號(hào)送至信號(hào)整形和處理單元，加以分選、整流和放大；超越給定“閾”值部分的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)聲、光顯示。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)表面、近表面裂紋進(jìn)行探測(cè)，不要求清理被檢構(gòu)件表面，不需要進(jìn)行人工磁化和施加磁粉或磁懸液；可查找疲勞、腐蝕和工藝性表面裂紋；缺陷指示明確直觀。

技術(shù)參數(shù)：靈敏度：表面裂紋（焊縫/母材）深度≥0.5/0.3mm、長(zhǎng)度≥5/3mm、寬度≥0.01mm；被檢構(gòu)件表面最大允許非金屬涂層或垢物厚度：1.8mm；最大檢查速度：0.2米／秒；內(nèi)置式充電電源最大連續(xù)供電時(shí)間：可連續(xù)工作10余小時(shí)；工作環(huán)境：溫度-5℃－55℃，相對(duì)濕度-45%－80%，大氣壓力630mmHg－800mmHg。

（二）試板驗(yàn)證

為了驗(yàn)證脈沖電磁法檢測(cè)的靈敏度和操作人員檢測(cè)結(jié)果判斷，特進(jìn)行試板驗(yàn)證評(píng)估。

1. 試板制作

為了先制作檢測(cè)試塊，在多管樁鋼構(gòu)基礎(chǔ)同等焊接狀態(tài)下制作模擬缺陷，然后覆以相同厚度的防腐層。

圖4所示：試板中#1、#2、#3、#4、#5、#6分別為電火花技術(shù)刻制的人工模擬裂紋，長(zhǎng)度均約10mm，深度分別為1#、#2：0.5mm、3#、4#：1.0mm、5#、6#：1.5mm。1# 和3#模擬裂紋中心均距相近側(cè)試樣邊緣約35mm，2#模擬裂紋位于試樣中心位置。試板表面按機(jī)組基礎(chǔ)防腐涂層工藝涂覆。

2. 試板驗(yàn)證

先進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，再試板檢測(cè)（圖5）。檢測(cè)結(jié)果（表1所示）：檢測(cè)出缺陷6處，缺陷位置、靈敏度與模擬缺陷基本相符；初檢時(shí)發(fā)現(xiàn)儀器在檢測(cè)狀態(tài)改變時(shí)歸零不穩(wěn)，經(jīng)對(duì)儀器充足電后，歸零正常。結(jié)論：該方法在不損傷防腐油漆涂層情況下，達(dá)到檢測(cè)要求。

表1　試板檢測(cè)結(jié)果

表2　檢測(cè)出缺陷的機(jī)位

（三） 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

檢測(cè)依據(jù)：《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)（JB/T 4730-2005）。檢測(cè)方法：檢測(cè)時(shí)將馬鞍形角焊縫分為三個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)角焊縫上部和下部焊趾區(qū)域時(shí)，探頭長(zhǎng)軸與焊趾延伸方向一致置于焊趾上，調(diào)置儀器零位后，將探頭順焊趾移動(dòng)；檢測(cè)角焊縫表面時(shí)，探頭長(zhǎng)軸與焊縫延伸方向一致置于焊趾上，調(diào)置儀器零位后，探頭沿角焊縫方向掃查角焊縫表面，探頭每次掃查區(qū)域應(yīng)與前次掃查時(shí)有10%的重疊，并覆蓋整個(gè)角焊縫表面（見圖6）。檢測(cè)結(jié)果：共檢測(cè)6臺(tái)，發(fā)現(xiàn)2臺(tái)各有一處裂紋，4臺(tái)正常。具體如表2所示。

海上風(fēng)電基礎(chǔ)無(wú)損檢測(cè)的最大特點(diǎn)是帶油漆檢測(cè)，以適于海上防腐要求。為海上試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)在役鋼構(gòu)基礎(chǔ)的腐蝕疲勞早期檢測(cè)提供了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步消缺和腐蝕疲勞防范確定了跟蹤對(duì)象和工作重點(diǎn)。同時(shí)也看出：海上風(fēng)電基礎(chǔ)的腐蝕疲勞監(jiān)測(cè)、早期防范很有必要。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)腐蝕疲勞、無(wú)損檢測(cè)的分析，以及脈沖電磁法無(wú)損檢測(cè)在海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行機(jī)組基礎(chǔ)無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用案例，可以得出：

（一）海洋環(huán)境下的機(jī)組基礎(chǔ)腐蝕疲勞早期檢測(cè)和跟蹤很有必要：海上機(jī)組基礎(chǔ)的無(wú)損檢測(cè)需考慮不損傷現(xiàn)有的防腐油漆涂層；脈沖電磁法無(wú)損檢測(cè)在海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行機(jī)組基礎(chǔ)無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用，顯示該方法可以發(fā)現(xiàn)腐蝕疲勞的早期裂紋。

（二）無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，是海上風(fēng)電運(yùn)行基礎(chǔ)腐蝕疲勞檢測(cè)的基本保障；腐蝕疲勞裂紋的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效處理，是海上風(fēng)電安全生產(chǎn)運(yùn)行的重要課題和研究方向。

(作者單位：張鋼，劉碧燕：江蘇海上龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司；馮寶平：龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司)