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            大氣環境下風電塔筒金屬材料的應力腐蝕
            2023-06-18 來源:環境試驗
             風能取之不盡,用之不竭,是非常重要的一種潔凈的可再生能源。目前,風力發電已經成為我國可持續發展戰略的重要組成部分。海上風能資源極為豐富,海上風電具有巨大的發展空間,我國風力發電“十二五”規劃已經明確提出海上風電將成為重要的發展方向。
             
             
            塔筒是風力發電機組的主要支撐結構,在服役過程中,會經受日光、雨水、腐蝕介質等環境因素作用,容易發生大氣腐蝕問題。
             
            近年來,大氣環境中的應力腐蝕越來越受到重視。應力腐蝕是指受拉伸應力作用的金屬材料在某些特定的介質中,由于腐蝕介質與應力的協同作用而發生的脆性斷裂現象。由于這種脆性斷裂沒有明顯的征兆,所以往往會造成災難性的后果。
             
            螺栓等塔筒金屬材料部件會受到拉應力的作用,可能會發生應力腐蝕等問題,帶來安全隱患,嚴重時會引起風電機組倒塌等問題,從而給企業帶來巨大的經濟損失。隨著風電產業的發展,海上風電已經逐步開始裝機運行,塔筒金屬材料面臨的環境更加苛刻、更復雜,應力腐蝕已成為行業需要關注的重要研究內容之一。
             
            應力腐蝕特征及機理
             
            應力腐蝕的特征
             
            應力腐蝕斷裂是應力與腐蝕介質協同作用引起的金屬腐蝕斷裂現象。發生應力腐蝕斷裂通常需具備以下條件:敏感材料、特定環境和拉伸應力,因此應力腐蝕斷裂具有以下幾個特征:
             
            1、應力特征
             
            應力是誘發應力腐蝕的必要因素,可以是外加應力,也可以是機加工和熱處理等環節產生的殘余應力。引起應力腐蝕的一般是拉應力,但一些研究表明特定條件下壓應力也能產生應力腐蝕。
             
            2、腐蝕介質是特定的
             
            只有當某種特定的金屬在特定的腐蝕介質中時,才會發生應力腐蝕。但是如果沒有應力存在,金屬在其特定腐蝕介質中的腐蝕速度是很緩慢的。
             
            3、脆性斷裂
             
            會導致脆性斷裂應力腐蝕的臨界應力一般較小,其端口形貌表現出典型的脆性斷裂特征,斷裂前沒有大的變形,應力腐蝕產生的脆斷可能導致災難性事故。
             
            4、裂紋的擴展速度較快
             
            應力腐蝕裂紋的擴展速度大于金屬腐蝕速度。在裂紋產生初期,其擴展速度是緩慢的,但當達到一定臨界尺寸時,裂紋會迅速擴張,直到超過金屬材料承受極限突然斷裂。
             
            5、應力腐蝕一般都發生在特殊的電位區間
             
            通過電化學試驗可以知道,特定金屬與介質的組合,只有在特定的電位區間范圍內才會發生應力腐蝕,因此可以通過電化學方法來改變電位區間,達到控制應力腐蝕的目的。
             
            應力腐蝕的機理
             
            應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-溶液中的應力腐蝕屬于陽極溶解型,高強度合金鋼在水介質中的應力腐蝕屬于氫致開裂型。
             
            1、陽極溶解機理
             
            在應力的協助或協同作用下,加速金屬活化區的溶解而導致斷裂的機理,統稱為陽極溶解機理。陽極金屬的不斷溶解導致了應力腐蝕裂紋的形核和擴展。但關于陽極溶解是如何發生,應力在腐蝕過程中如何作用,是一系列非常復雜的問題,目前已經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力腐蝕的產生機理。
             
            滑移-溶解理論認為金屬在腐蝕介質中會形成一層鈍化膜,在應力的共同作用下,位錯發生滑移,由此產生的滑移臺階會導致表面膜破裂,露出裸露的金屬,作為陽極發生溶解,然后會形成新的保護膜。
             
            在應力作用下位錯繼續滑移,導致保護膜再次破裂,陽極再次溶解。通過這一循環過程,應力腐蝕裂紋不斷產生和擴展。膜破裂理論認為金屬表面的鈍化膜不是由位錯滑移而破裂,而是在應力與活性粒子作用下導致鈍化膜破裂,裸露金屬表面失去保護作為陽極與其它鈍化膜表面形成腐蝕電池,從而發生溶解。
             
            在應力和腐蝕介質持續作用下,由于陽極溶解產生的微裂紋不斷生長,當達到臨界值將發生腐蝕斷裂。對沿晶應力腐蝕敏感的材料來說,由于晶界附近缺陷和雜質較多,在腐蝕介質中極易優先產生應力腐蝕斷裂。
             
            2、氫致開裂機理
             
            氫致開裂機理或稱氫脆機理,是應力腐蝕斷裂的第二種機理。金屬在腐蝕過程中陰極反應生成的氫吸附在金屬材料表面并擴散到內部,產生氫應變鐵素體或高活化氫化物,對高強度鋼等對氫脆敏感度高的材料,會使材料脆化而出現裂紋,并沿氫脆部位不斷擴展導致破裂。
             
            但在一些陽極溶解為主導的應力腐蝕體系中,腐蝕過程中析出的氫原子不足以導致氫致開裂,但可對材料的電化學性能、應力腐蝕性能產生影響。因此,氫在不同材料應力腐蝕斷裂中所起的作用要根據實際情況分析,有些體系中以氫脆為主,有些體系中以陽極溶解為主。
             
            大氣中應力腐蝕的影響因素
             
            1、氯離子
             
            針對每種金屬材料,只有在特定的介質中才能發生應力腐蝕。因此,通常以環境特點命名一些金屬材料的應力腐蝕,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、高強度鋼在酸性或中和NaCl水介質中的氫脆。
             
            海上風電是我國風電產業重要發展方向,對于海上風電而言,其塔筒處于海洋性大氣環境中,空氣中的Cl-含量相對較高,因此,以下重點介紹Cl-對金屬材料應力腐蝕性能的影響。
             
            在典型大氣環境下進行預制裂紋應力腐蝕實驗,可以很準確的得到試樣的應力腐蝕性能。但由于周期較長,故往往采取實驗室加速實驗方法。
             
            氯化物對于金屬材料應力腐蝕性能的影響一方面是由于氯化物具有很強的吸濕性,能夠從大氣中吸附水分,溶于金屬表面的薄液膜形成強腐蝕性的介質,對金屬的應力腐蝕造成很大影響。
             
            另外Cl-活化作用較強,離子半徑小,穿透力強,很容易透過膜內極小的孔隙,直接與金屬發生反應,生成可溶性化合物。又由于Cl-具有很強的、易被金屬吸附的能力,它能優先被金屬吸附并從金屬表面把氧排擠掉,從而導致被蝕金屬表面供氧不足,保護膜不能及時得到修復,這樣腐蝕就會一直發展下去。
             
            同時在外加應力或內應力作用下,極易發生應力腐蝕。Cl-的應力腐蝕機理很復雜,現在研究的熱點是膜破裂機理、陽極溶解型機理和氫致開裂型機理,在實際情況下也有可能兩種或更多的機理共同作用,這就需要根據實際情況具體進行分析,并找出相應的對策。
             
            2、溫度和濃度
             
            氯化物的濃度和溫度對應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。由于沸點與濃度有關,沸點升高,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。
             
            3、pH值環境
             
            pH值對應力腐蝕也有一定影響。通常pH值越低,材料應力腐蝕傾向越大。但如果整體溶液pH值過低(小于2),有可能造成全面腐蝕,反而不易發生應力腐蝕斷裂。
             
            應力腐蝕的防護措施
             
            發生應力腐蝕斷裂需要同時具備以下因素:敏感材料、特定的介質環境和拉應力,因此防止發生應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,就可以有效避免發生應力腐蝕斷裂。
             
            1、材料選擇
             
            選擇材料要優先考慮在特定環境中對應力腐蝕不敏感的材料,例如低合金鋼在海洋大氣環境下的應力腐蝕敏感性較低,可以優先考慮用在對應力腐蝕要求較嚴格的部件中。有些情況下可以通過調整金屬的組織、成分來減小材料的應力腐蝕敏感性,例如在鋼中適當提高碳含量可以提高金屬的耐應力腐蝕性能,但同時也要考慮到對強度的影響;也可以通過熱處理等工藝改善組織結構、細化晶粒、減少晶間缺陷等方法來降低金屬應力腐蝕敏感性。
             
            2、服役環境
             
            盡量減少環境對材料的影響,改善腐蝕介質與材料的接觸環境可以有效的避免或延緩應力腐蝕發生,可以采用加緩蝕劑或保護層(涂層或鍍層)等方法防止應力腐蝕。
             
            一些緩蝕劑對于腐蝕有很好的緩蝕作用,能有效減緩裂紋擴展,還能縮小發生應力腐蝕的電位區間。在材料表面施加涂鍍層可以有效隔離材料與環境的接觸,從而避免腐蝕。也可以采用陰極保護電化學的方法可以改變材料所處的電位區間,使材料的電位落在“安全”電位區間,保護材料不發生應力腐蝕。由于高溫環境對應力腐蝕有負面作用,通過降低使用溫度也可以一定程度降低應力腐蝕影響。另外采取措施適當提高環境的pH值也可以一定程度減少發生應力腐蝕的幾率。
             
            3、應力
             
            在應力腐蝕中,應力這個因素非常復雜,在材料加工、裝配、工作等環節都有可能產生,包括殘余應力、熱應力、工作應力等多種形式。
             
            在結構設計中必須考慮避免應力集中,盡量使構件各部位受力均勻,危險結構處要注重去除或減輕拉應力,必要時可視實際情況適當增加壓應力。
             
            施工過程中要嚴格按照規范進行,盡量避免安裝應力和局部應力集中,注意焊接過程中盡量不要產生熱應力。
             
            在工作運行中要按照操作規范合理使用,盡量避免超載運行,涂鍍層工件要減少表面損傷,以免誘發應力腐蝕。
             
            風機的很多部件如塔架等是由高強度螺栓連接,裝配過程中會對其施加一定的預緊力,但預緊力過大會導致螺栓表面鍍層開裂,會使螺栓失去保護,如何在保證強度的同時避免保護層破壞,也是需要考慮的問題。
             
            應力腐蝕的試驗方法
             
            多年來,根據各種金屬材料在不同環境中表現出的應力腐蝕特性,發展出了很多種試驗方法。根據加載方法的不同,可以分為恒應變法、恒載荷法和慢應變速率法。使用恒應變法和恒載荷法試樣所受應力往往與實際工況有所偏差,不能很好地反應出材料對應力腐蝕敏感性。
             
            目前應用較多的試驗方法是慢應變速率法。慢應變速率法能夠提供迅速激發材料應力腐蝕敏感性,使試樣在很短的時間內發生應力腐蝕斷裂,因此是一種相當苛刻的加速試驗方法。
             
            與恒應變法和恒載荷法比較,慢應變速率法對應力腐蝕有較高的敏感性,可以定量分析材料應力腐蝕性能。慢應變速率試驗方法可以在實驗過程施加溫度、電極電位和溶液pH值等,由此分析各種因素對應力腐蝕過程的影響。
             
            針對不同的金屬材料,應選擇不同的介質來研究應力腐蝕性能。目前,對于高強鋼在海水或海洋大氣中應力腐蝕已經有學者進行了大量的研究。
             
            對于海上風電的塔筒和高強度螺栓,可能導致應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溶液中進行慢應變速率試驗,用于模擬研究海洋環境中存在Cl-時材料的應力腐蝕敏感性。
             
            也可以進行人工加速試驗,根據相關標準在鹽霧環境中對試驗樣品加載一定應力,經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境中應力腐蝕性能。經過慢應變速率試驗后試樣的斷口需要進行掃描電鏡觀察,應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解理形貌所占的比例來判斷材料的應力腐蝕敏感性。
             
             
            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——準解理斷口形貌,因此可以認為X-42鋼在0.5mol/L Na2CO3+1mol/L NaHCO3溶液中有明顯的應力腐蝕敏感性。
             
            結論
             
            風電塔筒長期在戶外運行,其金屬材料的應力腐蝕是需要關注的問題,一般來說,金屬材料發生應力腐蝕需具備敏感材料、特定環境和拉伸應力這三個條件,從而螺栓等塔筒金屬材料部件容易發生應力腐蝕問題。對于海上風電而言,由于海洋大氣中含有濃度較高的氯離子,則應采取措施以防護氯離子引起的應力腐蝕問題。
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