盧穎

廣東水電二局股份有限公司 廣東 廣州 511300

1 腐蝕疲勞和腐蝕疲勞斷裂

1.1 二者的含義

1、腐蝕疲勞

還被稱作交變應(yīng)力腐蝕，主要是在腐蝕的環(huán)境中，相關(guān)材料所承受的交變載荷出現(xiàn)了疲勞破壞的情況。鋼構(gòu)的疲勞極限，因?yàn)閼?yīng)力的時(shí)間延長(zhǎng)加上處于腐蝕的環(huán)境中，所以，在聯(lián)合性的作用下被降低，從而出現(xiàn)了脆性斷裂，并逐漸的蔓延，造成了過(guò)早的破裂，因此被叫做腐蝕疲勞。簡(jiǎn)單的交變應(yīng)力或者腐蝕所帶來(lái)的破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有該破壞大。

2、腐蝕疲勞斷裂

相關(guān)鋼構(gòu)內(nèi)因?yàn)殚L(zhǎng)期大量地積累腐蝕疲勞所產(chǎn)生的損傷，就會(huì)出現(xiàn)初始的疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)散，如果該裂紋蔓延到一定程度后，就無(wú)法承受外載，使裂紋開始迅速地?cái)U(kuò)大，最終使整個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)斷裂。

1.2 腐蝕疲勞的特征

出現(xiàn)腐蝕疲勞的原因通常是因?yàn)楸砻娉霈F(xiàn)了腐蝕坑或者缺陷，從腐蝕孔隙開始，以垂直方向作用力呈現(xiàn)出叢狀分布。這種疲勞存在著多源性，有許多深的孔隙，有許多的裂縫，并且裂縫的邊緣呈現(xiàn)出鋸齒形狀。當(dāng)腐蝕較大，應(yīng)力較小時(shí)，裂紋的上方呈現(xiàn)出圓鈍狀；如果腐蝕較小，應(yīng)力較大，那么裂紋的上方就會(huì)比較尖。斷口的位置存在著被腐蝕的特征，也有疲勞的特征。主要變現(xiàn)為：腐蝕出現(xiàn)的物質(zhì)、腐蝕坑、腐蝕溝、槽式臺(tái)階和疲勞弧帶、疲勞溝紋、疲勞臺(tái)階等。疲勞裂縫通過(guò)微觀觀察表現(xiàn)為穿晶型，沒(méi)有分枝或者少數(shù)分枝。

無(wú)論在何種腐蝕環(huán)境內(nèi)，金屬材質(zhì)都會(huì)出現(xiàn)腐蝕疲勞，例如：碳鋼和低合金鋼。鋼對(duì)腐蝕疲勞的敏感程度會(huì)因?yàn)槠鋸?qiáng)度的不斷提升而增加。不需要固定的腐蝕系統(tǒng)就能產(chǎn)生腐蝕疲勞。如下圖所示為鋼在四種不同環(huán)境中的S-N曲線圖，根據(jù)圖中可知，鋼的疲勞極限在真空、空氣以及預(yù)先侵蝕中會(huì)逐漸地降低。材料在腐蝕疲勞下出現(xiàn)斷裂的交變應(yīng)力會(huì)逐漸降低，沒(méi)有任何的疲勞極限。當(dāng)交變應(yīng)力的加載頻率逐漸降低時(shí)，平均的應(yīng)力就會(huì)逐漸增大，相應(yīng)的材料強(qiáng)度就會(huì)越大，那么腐蝕疲勞裂紋蔓延的速度就會(huì)越快。

1.3 腐蝕疲勞帶來(lái)的危害

腐蝕疲勞出現(xiàn)的斷裂，和應(yīng)力的腐蝕破壞以及機(jī)械疲勞存在著不同之處，并且腐蝕疲勞斷裂也不是二者累加形成的。腐蝕疲勞的后期出現(xiàn)了斷裂的情況，該過(guò)屬于簡(jiǎn)單的機(jī)械性行為，和環(huán)境以及介質(zhì)沒(méi)有任何關(guān)系。腐蝕疲勞的斷裂屬于脆性的，整個(gè)斷裂周圍不存在塑變的情況，也就是說(shuō)，在發(fā)生腐蝕疲勞斷裂之前，不會(huì)產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形，用于提前預(yù)警，因此，這個(gè)就是腐蝕疲勞最大的危害之處。

1.4 預(yù)防腐蝕疲勞的方法

想要讓腐蝕疲勞得到有效地緩解，就要對(duì)防腐性的材料進(jìn)行選擇，然后表面殘留的應(yīng)力可以對(duì)噴丸的處理方法來(lái)進(jìn)行應(yīng)用，使其得到下降，例如：熱噴鋅、鋁、防腐涂層以及包覆防腐等。使用任何方式來(lái)使材料的防腐能力得到提升，都能夠使腐蝕疲勞的強(qiáng)度提高。當(dāng)遇到不能提前預(yù)防和沒(méi)有辦法避免的腐蝕疲勞，就要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題要及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，確保機(jī)組能夠安全地運(yùn)行。

2 腐蝕疲勞的早期檢測(cè)

2.1 超聲波檢測(cè)法

該方法主要是利用了超聲波在試件中傳播的特點(diǎn)。在檢測(cè)中遇到氣孔、裂紋、分層或者夾雜時(shí)，超聲波在傳播過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)全反射或者部分反射的情況。探頭會(huì)將反射的超聲波進(jìn)行接收，然后對(duì)儀器中的電路進(jìn)行利用并處理超聲波，然后超聲波顯現(xiàn)在儀器的熒光屏上，表現(xiàn)形式為高度不同，存在著一定距離的波形，從而能夠?qū)ぜ?nèi)出現(xiàn)缺陷的地方、深度以及形狀進(jìn)行明確。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：可以將其應(yīng)用到檢測(cè)金屬、非金屬和復(fù)合材料中；具有較高的穿透能力，能夠檢測(cè)比較厚的材料；可以對(duì)缺陷位置進(jìn)行確定以及定量，對(duì)于檢測(cè)面積型的缺陷比較適用；具有較高的靈敏性、應(yīng)用成本比較低、檢測(cè)速度快、不會(huì)帶來(lái)危害。其存在的缺點(diǎn)有：最終結(jié)果不具有直觀性，需要在表面較為平順光滑的地方進(jìn)行使用，不方便進(jìn)行保存。

2.2 磁粉檢測(cè)法

該方法主要是將需要檢測(cè)的工件放到磁場(chǎng)環(huán)境中，然后使部分或者整體被磁場(chǎng)磁化。如果該部件的表面或者臨近表面的地方有裂紋、夾雜、氣孔或者沒(méi)有熔合焊透的缺陷部位，就會(huì)在其表面產(chǎn)生漏磁場(chǎng)而有磁力線漏出的情況，之后會(huì)對(duì)磁粉進(jìn)行吸附，最終在缺陷處產(chǎn)生聚集性的磁粉痕跡，可以判斷缺陷出現(xiàn)的地方、大小及其形狀。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：能夠應(yīng)用到鐵磁性材料以及表面和臨近表面的地方存在缺陷的檢測(cè)中，使用成本比較低，操作上簡(jiǎn)單方便，反應(yīng)能力較高。其存在的缺點(diǎn)有：對(duì)于沒(méi)有磁性的材料無(wú)法使用該方法進(jìn)行檢測(cè)，不能對(duì)缺陷的深度進(jìn)行確定，同時(shí)在對(duì)其進(jìn)行使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的電磁輻射。

2.3 渦流檢測(cè)法

該方法主要是對(duì)電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行運(yùn)用，在對(duì)缺陷進(jìn)行判定時(shí)，主要依靠的就是在所檢測(cè)部件內(nèi)感生渦流的變化情況。在金屬板上放置或者金屬管外嵌套一個(gè)線圈，且該線圈有交流電通過(guò)，此時(shí)該線圈的內(nèi)部就會(huì)形成一個(gè)磁場(chǎng)，從而讓部件內(nèi)出現(xiàn)感應(yīng)交變電流，該電流呈現(xiàn)出旋渦狀，即渦流。產(chǎn)生的渦流大小決定了金屬材料中的缺陷形狀。主要的優(yōu)點(diǎn)有：檢測(cè)所使用的線圈不用同檢測(cè)物直接進(jìn)行接觸，其檢測(cè)的速度比較快。存在的缺點(diǎn)有：對(duì)于形狀比較復(fù)雜的部件，只能對(duì)其表面的缺陷進(jìn)行檢測(cè)而無(wú)法深入。

2.4 滲透檢測(cè)法

該方法主要操作為，將含有熒光的燃料或者著色染料的滲透劑涂到需要檢測(cè)的部件表面，表面存在缺陷的地方會(huì)因?yàn)槊?xì)管的作用而被滲透劑滲入；將表面多余的滲透劑清除干凈以后，就將顯像劑涂抹到表面，這樣缺陷中被滲入的滲透劑就會(huì)回到顯像劑中，然后將檢測(cè)部件放到光源下，有缺陷的地方就會(huì)被顯現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而可以對(duì)缺陷的形狀和分布情況進(jìn)行判斷。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：能夠在各種材料中進(jìn)行應(yīng)用，具有比較高的靈敏性，所顯示出來(lái)的缺陷具有直觀性，操作比較便捷。存在的缺點(diǎn)有：操作的流程比較復(fù)雜，速度也比較慢，同磁粉檢測(cè)相比靈敏度較低，并且其只能對(duì)表面存在開口的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

2.5 射線照相檢測(cè)法

主要應(yīng)用到的射線有X射線、γ射線和中子射線，肉眼沒(méi)有辦法看到的物質(zhì)可以通過(guò)射線來(lái)實(shí)現(xiàn)并產(chǎn)生膠片感光，膠片乳劑層內(nèi)的乳化銀會(huì)隨之而出現(xiàn)潛影。射線在照射具有不同密度的物質(zhì)時(shí)，該物質(zhì)對(duì)其吸收的系數(shù)會(huì)有所差異，同時(shí)膠片各處所被射線照射以后的能量也會(huì)有一定的不同，此時(shí)在對(duì)缺陷進(jìn)行判斷時(shí)，可以對(duì)經(jīng)過(guò)暗室進(jìn)行處理的底片各個(gè)部分不同的黑度來(lái)進(jìn)行判斷。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：生成的圖像具有直觀性，能夠準(zhǔn)確地對(duì)缺陷進(jìn)行定性和定量，并且可以長(zhǎng)期保存該記錄；檢測(cè)體積型的效率比較高，例如氣孔或者夾渣等；部件厚度較薄的適合使用該方法；對(duì)于角焊縫不適合應(yīng)用。存在的缺點(diǎn)有：當(dāng)缺陷的類型為面積型（即沒(méi)有焊透或者沒(méi)有熔合以及出現(xiàn)裂紋的地方）時(shí)，如果照射的角度不恰當(dāng)，容易出現(xiàn)漏檢的情況；在檢測(cè)部件缺陷厚度方面具有一定的困難性；使用該方法的成本比較高，檢測(cè)的速度低；其所產(chǎn)生的輻射對(duì)人體具有一定的威脅。

3 海上風(fēng)電對(duì)無(wú)損檢測(cè)的要求以及相關(guān)應(yīng)用

3.1 海上風(fēng)電的腐蝕情況

海上風(fēng)電的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)一般都會(huì)對(duì)熱軋低合金高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼材料進(jìn)行應(yīng)用，其材質(zhì)主要是Q345D，焊接方式為雙面坡口焊接，以及全焊透形式，在進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)，要根據(jù)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[1]。為了使焊接的質(zhì)量得到有效保證，需要對(duì)焊接的預(yù)熱、焊接各個(gè)層次之間的溫度、后熱保溫方式、消除焊接線能量和焊接時(shí)殘存的應(yīng)力等進(jìn)行控制和處理。

機(jī)組鋼構(gòu)基礎(chǔ)因?yàn)楹Ｑ髿夂颦h(huán)境的影響，而產(chǎn)生了大量的腐蝕，這些腐蝕使疲勞損傷的速度加快，同時(shí)疲勞的載荷不斷增加而是腐蝕的程度加劇。所以，腐蝕疲勞從嚴(yán)格意義上講，空氣以及各個(gè)氣體環(huán)境或者液體環(huán)境的疲勞都屬于腐蝕疲勞。具有典型性的腐蝕疲勞破壞就是在海水環(huán)境中的金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了疲勞破壞，該破壞的機(jī)理和在空氣中所產(chǎn)生的破壞機(jī)理存在著明顯的區(qū)別，因此使用的時(shí)間也會(huì)存在差異，疲勞強(qiáng)度的極限存在于海上中部。電化學(xué)作用就是海水腐蝕疲勞破壞的機(jī)理。

種類不同的鋼鐵結(jié)構(gòu)物在海洋環(huán)境中，會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)腐蝕破壞而使鋼鐵結(jié)構(gòu)物失去作用，主要有三個(gè)方面的原因，即金屬材料、環(huán)境和設(shè)計(jì)。其中，金屬材料的原因是：有害元素高于標(biāo)準(zhǔn)值，熱處理不合適，使用了缺乏合理性的加工技術(shù)，導(dǎo)致了應(yīng)力、裂紋或者裂痕殘留在了表面，所使用的連接材料無(wú)法適配，表面出現(xiàn)了污漬或者破損。環(huán)境的原因有：環(huán)境中存在著高氧化性的介質(zhì)，整體環(huán)境具有較高的腐蝕性，環(huán)境中一些特殊的因素產(chǎn)生的影響，例如：振動(dòng)、空泡、疲勞、殘余應(yīng)力以及周期應(yīng)力。微型生物或者大型生物帶來(lái)的影響，比較散亂的電流，金屬所在的環(huán)境地點(diǎn)不一樣，例如：海泥區(qū)域、深水區(qū)域或者表面的淺水區(qū)域。設(shè)計(jì)的原因有：縫隙產(chǎn)生的一些影響，例如：鋼纜、軸承、套管、蓋以及螺栓等方面出現(xiàn)的縫隙，恒應(yīng)力和周期循環(huán)交變應(yīng)力帶來(lái)的影響，所使用的金屬和環(huán)境嚴(yán)重不配套，陰極的保護(hù)電位不高。

3.2 海上風(fēng)電鋼構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中使用無(wú)損檢測(cè)的需求

在對(duì)海上風(fēng)電運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行防腐檢驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，并保證每個(gè)5年都要進(jìn)行一些無(wú)損檢驗(yàn)。海上風(fēng)電的鋼構(gòu)基礎(chǔ)，特別是多管樁的鋼構(gòu)基礎(chǔ)具有比較復(fù)雜的受力，因此在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，非常容易因?yàn)槿毕荻霈F(xiàn)危險(xiǎn)。危險(xiǎn)最大的就是受應(yīng)力最大的運(yùn)行中的相關(guān)構(gòu)件。所以，需要根據(jù)相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)鋼構(gòu)基礎(chǔ)的焊縫位置進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，從而能夠及時(shí)地對(duì)鋼構(gòu)基礎(chǔ)的情況進(jìn)行了解。

在對(duì)海上風(fēng)電鋼構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，有著極大的特殊性。例如：其所涂抹的防腐層比較厚，所以檢測(cè)時(shí)具有巨大的困難性；海上風(fēng)電的腐蝕環(huán)境比較惡劣，在對(duì)油漆進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要保證油漆的涂層不被破壞，因此在檢測(cè)中會(huì)存在著油漆。如果應(yīng)用傳統(tǒng)的超聲波、磁粉等無(wú)損檢測(cè)方式，需要將相應(yīng)的防腐涂層進(jìn)行打磨，直至其能夠滿足檢測(cè)的靈敏性要求。所以為了能夠使海上的鋼構(gòu)基礎(chǔ)的無(wú)損檢測(cè)需求得到滿足，可以對(duì)脈沖電磁法進(jìn)行應(yīng)用。

3.3 海上風(fēng)電鋼構(gòu)檢測(cè)中對(duì)脈沖電磁法進(jìn)行運(yùn)用

3.3.1 檢測(cè)原理

需要檢測(cè)的鋼構(gòu)表面使用磁化的裝置進(jìn)行磁化處理，并使用傳感器對(duì)表面進(jìn)行掃描，如果遇到出現(xiàn)裂紋的地方就會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)泄漏的情況；泄漏出來(lái)的磁場(chǎng)會(huì)被檢測(cè)的線圈所感應(yīng)到，然后將該部分磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；將電信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)整形和處理單元中，然后會(huì)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分類選擇、整合電流并進(jìn)行放大處理；一些數(shù)據(jù)信號(hào)出現(xiàn)了高于限度值的情況，會(huì)由聲或者光將其展現(xiàn)出來(lái)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：能夠檢測(cè)到表面和臨近表面有裂紋的地方，在檢測(cè)時(shí)，不要對(duì)鋼構(gòu)表面進(jìn)行清潔，同時(shí)也不需要人員來(lái)對(duì)其進(jìn)行磁化處理，加入磁粉或者磁懸液；能夠?qū)⑵谔?、腐蝕位置和因?yàn)橹圃旃に嚩霈F(xiàn)的表面裂紋情況找到；在發(fā)現(xiàn)缺陷方面的表現(xiàn)形式更具有直觀性。

3.3.2 技術(shù)參數(shù)

靈敏性：表面裂紋（焊縫或者母材）的深度需要大于或者等于0.3mm或者0.5mm，長(zhǎng)度要保證其大于或者等于5或3mm，寬度要確保大于或者等于0.01mm；需要檢測(cè)的鋼構(gòu)表面的非金屬涂層或者污垢的厚度最大的限度為1.8mm；檢查的最高速度為每秒0.2m；內(nèi)置的充電電源連續(xù)供電的最長(zhǎng)時(shí)間不能超過(guò)10個(gè)小時(shí)左右；檢測(cè)時(shí)所處的環(huán)境溫度應(yīng)該保證在-5℃到55℃之間，空氣的相對(duì)性濕度應(yīng)該在－45%—80%范圍內(nèi)，大氣的壓強(qiáng)要在630mmHg-800mmHg。

3.3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

檢測(cè)時(shí)要根據(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）[2]。檢測(cè)的方式為：馬鞍形角焊縫部分應(yīng)該分成三個(gè)部分，然后在分別對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行檢測(cè)。在對(duì)角焊縫的上方和下方的焊趾位置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，焊趾上安放一個(gè)和焊趾延伸方向相同的探頭長(zhǎng)軸，并將儀器歸零，向焊趾的方向移動(dòng)探頭；在對(duì)角焊縫的表面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，在焊趾上放置一個(gè)和焊縫延伸方向相同的探頭長(zhǎng)軸，然后將儀器歸零，順著角焊縫的方向使用探頭對(duì)角焊縫的表面進(jìn)行掃描探查，在對(duì)相關(guān)位置進(jìn)行掃描和探查時(shí)，要保證每一次探頭掃描的位置都和之前掃描位置有百分之十的重合部分，并使角焊縫的表面全部被掃描探查。

在使用無(wú)損檢測(cè)對(duì)海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，帶有油漆的檢測(cè)形式是其所具有的最大特點(diǎn)，滿足海上的防腐需要[3]。對(duì)海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可以對(duì)海上正在運(yùn)行的鋼構(gòu)基礎(chǔ)腐蝕疲勞進(jìn)行及早地預(yù)防，同時(shí)也能夠明確腐蝕疲勞的防范對(duì)象和之后防腐的重點(diǎn)。對(duì)海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)的腐蝕疲勞進(jìn)行早期的檢測(cè)和方法具有十分重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)無(wú)損檢測(cè)和腐蝕疲勞進(jìn)行分析，以及在海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)對(duì)無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行應(yīng)用的闡述中可以知道：1、對(duì)鋼構(gòu)基礎(chǔ)在海洋環(huán)境中的腐蝕疲勞進(jìn)行初期的檢測(cè)和跟蹤監(jiān)測(cè)具有一定的重要性：在使用無(wú)損檢測(cè)對(duì)海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要保證鋼構(gòu)基礎(chǔ)現(xiàn)有的防腐油漆涂層不被破壞；在對(duì)海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，使用脈沖電磁法，該方法對(duì)于早期的腐蝕疲勞出現(xiàn)的裂紋檢測(cè)具有十分顯著的效果。2、海上風(fēng)電在實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)于檢測(cè)其腐蝕疲勞有著基礎(chǔ)性保障的就是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的使用和發(fā)展；無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)腐蝕疲勞的裂紋，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行及時(shí)處理，保障了海上風(fēng)電的運(yùn)行安全性，同時(shí)該方法也成為了未來(lái)的重要研究課題。