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我國海洋油氣資源儲量巨大但探明率遠低于世界平均水平，主要原因是海洋裝備材料研發(fā)及應用的落后。近年來，隨著我國海洋工業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是在國家發(fā)展海洋戰(zhàn)略的背景下，海洋平臺建設迎來了新的高速發(fā)展時期。國內(nèi)鋼廠充分利用機遇，進行了海洋工程用鋼的研發(fā)、認證及生產(chǎn)應用。海洋平臺裝備得到了不斷發(fā)展，這也使得裝備服役環(huán)境由沿海向島礁甚至深海進一步拓展，“高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射”的“三高一強” 嚴酷海洋環(huán)境對裝備的材料及結構造成了嚴重的腐蝕和破壞。與此同時，裝備自身會受到海浪、海嘯、強風暴、海底地震等自然災害帶來的疲勞載荷作用，這種環(huán)境腐蝕與疲勞載荷的耦合作用會造成裝備主承力結構提前被破壞甚至斷裂，嚴重影響了裝備的可靠安全服役。因此，研發(fā)一套腐蝕環(huán)境系統(tǒng)與疲勞試驗機結合的裝置來測試材料在腐蝕環(huán)境與疲勞載荷耦合作用下的腐蝕疲勞壽命顯得極為重要。為此，邢承亮、孫曉冉、安治國等研究人員研發(fā)了一套上述試驗裝置，可根據(jù)需求對腐蝕介質(zhì)的pH、溫度、流速及疲勞載荷波形、加載頻率、受力狀態(tài)等試驗條件進行個性化設計，且該裝置能有效評估材料在環(huán)境腐蝕與疲勞載荷耦合作用下的性能變化。

 

01腐蝕疲勞試驗系統(tǒng)的設計

 

1.1腐蝕容池

腐蝕容池材料采用耐腐蝕性好、力學性能高、透明且價格較低的高分子材料制造，透明性好以便于仔細觀察整個試驗過程。將腐蝕容池加工成外徑70cm，內(nèi)徑50cm，高65cm的圓桶形狀。容池底部為固定封閉底座，底座中心加工一個直徑20cm的圓孔，此孔下端有一個高30cm，直徑35cm的螺旋橡膠塞固定端。容池頂部為活動式上蓋，在中心加工一個直徑20cm的圓孔。在距容池上下兩端10cm處各開一個直徑8cm的圓孔，下端圓孔為進液口、上端圓孔為出液口，以保證容池中腐蝕介質(zhì)的有效高度。腐蝕容池及試樣安裝截面圖如圖1所示。

圖1 腐蝕容池及試樣安裝截面圖

1.2溫度控制單元

溫度控制單元主要由加熱循環(huán)泵、加熱腔、控制儀表、測溫傳感器組成。加熱循環(huán)泵將腐蝕介質(zhì)槽中的介質(zhì)運輸?shù)郊訜崆恢?，加熱腔另外一端與介質(zhì)槽連通以實現(xiàn)介質(zhì)的循環(huán)加熱。將測溫傳感器放置在容池中，測試試驗時腐蝕介質(zhì)的實際溫度，當測溫傳感器反饋溫度達到設定的溫度時，控制儀表發(fā)出信號，斷開加熱腔體的供電，停止加熱，相反未達到設定溫度時處于通電加熱狀態(tài)。

 

1.3腐蝕介質(zhì)pH測試單元

腐蝕介質(zhì)pH的實時狀態(tài)嚴重影響著試樣與介質(zhì)的化學反應，所以精準地檢測pH非常重要。將測試探頭放置在腐蝕介質(zhì)中，利用化學電位差原理，實時顯示介質(zhì)的pH，根據(jù)試驗要求完成pH的調(diào)整。

 

1.4腐蝕介質(zhì)循環(huán)單元

腐蝕介質(zhì)循環(huán)單元在蠕動泵的工作下將配比好的腐蝕介質(zhì)通過腐蝕容池進液口輸送到容池中，當腐蝕介質(zhì)液面到達出液口時會沿出液口流回到腐蝕槽中完成循環(huán)。該蠕動泵具有調(diào)節(jié)流速、流向的作用。

 

1.5整套腐蝕疲勞試驗系統(tǒng)的工作原理

疲勞試驗機與上述腐蝕系統(tǒng)共同組成腐蝕疲勞試驗系統(tǒng)。將經(jīng)過在疲勞試驗機上進行疲勞試驗后的試樣一端穿過橡膠塞從腐蝕容池的下端放入，旋轉(zhuǎn)橡膠塞固定端，完成試樣與腐蝕容池的連接，在容池底部涂抹有機膠防止介質(zhì)滲出。再根據(jù)實際環(huán)境介質(zhì)的成分配比腐蝕介質(zhì)，將該腐蝕介質(zhì)存放于介質(zhì)槽中。啟動pH測試單元、加熱控制單元、循環(huán)單元即完成整套腐蝕系統(tǒng)的有效配合。腐蝕系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 腐蝕系統(tǒng)示意圖

 

02試驗材料與試驗方法

 

2.1試驗材料

海洋工程用S690QL高強鋼板的服役條件非常惡劣，一直處于海水腐蝕和海浪、海風等引起的交變載荷的耦合作用中，具有代表意義，所以選該材料進行腐蝕疲勞性能的研究。S690QL高強鋼板的力學性能見表1。

表1 S690QL高強鋼板的力學性能

2.2腐蝕疲勞試樣

根據(jù)腐蝕容池的尺寸設計了腐蝕試樣，如圖3所示。試樣長夾持端與腐蝕容池的下端相連接，夾持在疲勞試驗機的下夾具上。試樣表面質(zhì)量嚴重影響著試樣循環(huán)壽命，所以要對機加工后的試樣進行細磨，保證圓弧段粗糙度在0.4μm以下。

圖3 腐蝕疲勞試樣尺寸示意圖

2.3腐蝕介質(zhì)成分設計

根據(jù)海洋工程用S690QL高強鋼板的服役環(huán)境條件，模擬配比人工海水，設計腐蝕介質(zhì)的成分及含量見表2。該腐蝕介質(zhì)的pH為8.3，接近真實海水的pH。

表2 腐蝕介質(zhì)的成分及含量

2.4試驗方法

2.4.1 試驗設備

疲勞試驗采用MTS 250kN型疲勞試驗機，該設備力值控制精度高、頻率精準可調(diào)，具有閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)、多種控制波形，且其夾具規(guī)格齊全、噪聲小。腐蝕試驗采用前述腐蝕系統(tǒng)。

 

2.4.2 試驗分組

將S690QL高強鋼板按照圖3要求加工8根試樣，第一組4根用于空氣中室溫疲勞試驗，編號為1~4；第二組4根用于模擬海水腐蝕疲勞試驗，編號為5~8，兩組試驗除所處的環(huán)境介質(zhì)不同外其他條件均相同。

 

2.4.3 試驗參數(shù)

兩組試驗采用正弦波形控制模式，應力臺階為5%，試驗頻率為20Hz，應力比為0.1，應力從材料屈服強度60%的應力開始，具體參數(shù)見表3。

表3 試驗參數(shù)設置

 

03試驗結果與分析

 

S690QL高強鋼板在應力比為0.1及4種不同應力條件下分別進行了空氣中的室溫疲勞試驗和模擬海水中的腐蝕疲勞試驗，結果如圖4所示?？梢娫谙嗤囼灄l件下，S690QL高強鋼板的疲勞壽命隨著循環(huán)應力的增加而不斷減小，在相同循環(huán)應力條件下空氣中的室溫疲勞壽命遠遠高于模擬海水中的腐蝕疲勞壽命。

圖4 S690QL高強鋼板的腐蝕疲勞壽命曲線

 

空氣中的室溫疲勞斷口和模擬海水中的腐蝕疲勞斷口形貌如圖5所示，可見空氣中和模擬海水中的腐蝕疲勞斷口都比較平直，均為脆性斷口?？諝庵惺覝馗g疲勞典型斷口可見解理臺階、二次裂紋和疲勞輝紋，在疲勞輝紋間存在細小的二次裂紋，斷口為解理斷口，疲勞裂紋擴展主要為穿晶斷裂機制。在空氣中裂紋萌生壽命約占總壽命的90%，裂紋擴展占總壽命的10%。模擬海水中腐蝕疲勞斷口形貌可見由腐蝕介質(zhì)造成的點蝕，點蝕周圍分布著二次裂紋，部分晶粒為解理斷裂、部分晶粒為沿晶斷裂，因此模擬海水中的腐蝕疲勞裂紋擴展為混合斷裂機制。點蝕處的應力集中加速了裂紋萌生，裂紋萌生壽命約占總壽命的10%；其還加快了裂紋擴展速度，裂紋擴展占總壽命的90%，使材料的斷口脆性增加。

圖5 不同條件下疲勞試樣斷口的微觀形貌

 

04結論

 

     (1) 該套腐蝕系統(tǒng)具有控溫準確、pH檢測實時、流速可控、容池和試樣連接密閉性好、安全、結構簡單等優(yōu)點，完全可以滿足腐蝕疲勞試驗的要求。

 

     (2) 隨著循環(huán)應力的增加，S690QL高強鋼板的疲勞壽命明顯降低。在相同的循環(huán)應力下，材料受海水腐蝕-疲勞載荷耦合作用的疲勞壽命大大低于在空氣中室溫下的疲勞壽命。

 

     (3) 模擬海水與試樣表面發(fā)生了應力腐蝕，在點蝕處造成的應力集中大大增加了裂紋的擴展速度，從而明顯降低了試樣的疲勞壽命。

 

作者：邢承亮，孫曉冉，安治國，趙中昱，宋月，孫江歡，白麗娟

單位：河鋼集團鋼研總院 理化檢測中心