淺談海上風電鋼構基礎腐蝕疲勞及早期檢測

文 | 張鋼 ，馮寶平，劉碧燕

?

淺談海上風電鋼構基礎腐蝕疲勞及早期檢測

文 | 張鋼 ，馮寶平，劉碧燕

隨著海上風電的大力發展，海上機組安全經濟運行成為生產、運營管理者日益關注的重要課題。海上機組處于海水、鹽霧的苛刻海洋腐蝕環境，加上機組根據風力大小、風向變化而頻繁啟停、偏航，機組隨著運行時間的延長會出現腐蝕疲勞、危害機組健康的情況，因此，對腐蝕疲勞進行早檢測、早發現、早處理勢在必行。無損檢測技術可以檢測出裂紋，包括腐蝕疲勞裂紋，但傳統的無損檢測方法需要去除防腐油漆、表面打磨光滑，不適于腐蝕環境下的海上機組基礎。如何采用既不傷害油漆防腐系統，又能有效檢測腐蝕疲勞，是海上風電人員必須面對和解決的問題。

腐蝕疲勞和腐蝕疲勞斷裂

一、定義

腐蝕疲勞：又稱為交變應力腐蝕，是材料在腐蝕介質中承受交變載荷所產生的疲勞破壞現象。鋼構在周期應力與腐蝕環境的聯合作用下，疲勞極限大大下降（見圖1），產生脆性斷裂并擴展，引起過早破裂，稱為腐蝕疲勞。這種破壞要比單純交變應力或單純腐蝕造成的破壞嚴重得多。

腐蝕疲勞斷裂：腐蝕疲勞損傷在構件內逐漸積累，導致初始疲勞裂紋的形成、擴展，當裂紋長度達到臨界值時，難以承受外載，裂紋發生快速擴展，以至構件斷裂。

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。當應力較小、腐蝕為主時，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：有腐蝕產物、腐蝕坑、腐蝕溝、槽式臺階以及疲勞弧帶、疲勞溝紋、疲勞臺階等。不像疲勞斷口粗糙、沒有收縮減薄現象。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境中都會產生腐蝕疲勞，如：碳鋼、低合金鋼等。鋼的強度愈高，其腐蝕疲勞的敏感性相對愈大。

腐蝕疲勞不需要特定的腐蝕系統。四種不同環境下的S-N曲線（圖2）顯示：真空、空氣、預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力大大下降，且不存在疲勞極限。交變應力的加載頻率越低、平均應力越大、材料強度越高，腐蝕疲勞裂紋擴展速率越高。

三、腐蝕疲勞的危害

腐蝕疲勞斷裂，既不同于應力腐蝕破壞，也不同于機械疲勞，同時也不是腐蝕和機械疲勞兩種因素作用的簡單疊加。腐蝕疲勞的最后斷裂階段是純機械性的，與介質無關。腐蝕疲勞斷裂是脆性斷裂，斷口附近無塑變，即：腐蝕疲勞斷裂發生前，不會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點所在。

四、腐蝕疲勞的預防措施

減少腐蝕疲勞，首先是選擇防腐材料；其次是通過噴丸等表面處理工藝降低表面殘余應力，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提高腐蝕疲勞強度有利。對于不能預防、無法避免的腐蝕疲勞，則只能通過早期檢測，早發現、早處理，以保證安全運行。

腐蝕疲勞的早期檢測

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

無損檢測方法很多，常規的有五種：射線照相檢驗（RT）、超聲波檢測（UT）、磁粉檢測（MT）和液體滲透檢測（PT）、渦流檢測（ET）。為提高無損檢測結果可靠性，應根據設備材質、制造方法、工作介質、使用條件和失效模式，預計可能產生的缺陷種類、形狀、部位和取向，選擇合適的無損檢測方法。并盡可能幾種檢測結合，取長補短，以保障設備安全運行。

一、五大常規檢測方法

（一）超聲波檢測（UT）

超聲波檢測，主要基于超聲波在試件中的傳播特性。當有氣孔、裂紋、分層或夾雜時，超聲波傳播到缺陷的界面處就會全部或部分反射。反射回來的超聲波被探頭接收，通過儀器內部的電路處理，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。優點：適于金屬、非金屬、復合材料；穿透力強，可測較大厚度；可定位、定量，適于面積型缺陷；靈敏度高、成本低、速度快、輕便、無害。缺點：顯示不直觀，要求表面平滑，不便保存。

（二） 磁粉檢測（MT）

磁粉檢測，通過對被檢工件施加磁場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，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。優點：適用于檢測鐵磁性材料、表面和近表面的缺陷，成本低、操作便利、反應快速。缺點：不能檢測非磁性材料，無法探知缺陷深度，有電磁輻射。

（三） 渦流檢測（ET）

渦流檢測，利用電磁感應原理，通過測定被檢工件內感生渦流的變化來發現缺陷。將通有交流電的線圈置于待測的金屬板上或套在待測的金屬管外，線圈內產生交變磁場，使試件中產生呈旋渦狀的感應交變電流，稱為渦流。渦流的大小與金屬材料內部的缺陷形態有關。優點：檢測時線圈不需與被測物直接接觸，可進行高速檢測。缺點：不適用于形狀復雜的零件，只能檢測表面缺陷。

（四） 滲透檢測（PT）

零件表面被施涂含有熒光染料或著色染料的滲透劑，毛細管作用下滲透液進入表面開口缺陷中；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，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態。優點：可檢測各種材料，靈敏度高、顯示直觀、操作方便。缺點：程序繁瑣、速度慢、靈敏度低于磁粉檢測，只能檢出表面開口的缺陷。

（五） 射線照相檢測（RT）

射線包括X射線、γ射線、中子射線，能穿透肉眼無法穿透的物質使膠片感光，使膠片乳劑層中的鹵化銀產生潛影。由于不同密度的物質對射線的吸收系數不同，照射到膠片各處的射線能量也就會產生差異，便可根據暗室處理后的底片各處黑度差來判別缺陷。優點：有直觀圖像，定性、定量準確，記錄可長期保存；對氣孔、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：對未焊透、未熔合、裂紋等面積型缺陷，若角度不當易漏檢；適宜對接焊縫；對厚度方向的缺陷檢測困難；成本高、速度慢；輻射對人體有害。

二、非常規無損檢測方法

非常規無損檢測方法有：聲發射檢測（AE）、衍射波時差法超聲檢測技術（TOFD）、泄漏檢測（LT）、導波檢測（GWT）、熱像/紅外（TIR）、交流場測量技術（ACFMT）、漏磁檢驗（MFL）、遠場測試檢測方法（RFT）。

海上風電無損檢測的需求及應用

一、海上風電基礎腐蝕形式

海上風電基礎采用熱軋低合金高強度結構鋼，材質選用Q345D，采用雙面焊坡口，全焊透，按《鋼結構工程施工質量驗收規范》一級標準驗收。為防止焊接質量問題，采取控制預熱、層間溫度、后熱保溫措施及焊接線能量等消除焊接殘余應力措施。

海洋氣候下的機組鋼構基礎，腐蝕加速了疲勞損傷，疲勞載荷又加速了腐蝕進程。嚴格地說，包括空氣在內的各種氣體環境或液體環境中的疲勞都屬于腐蝕疲勞。金屬結構在海水中的疲勞破壞是一種典型的腐蝕疲勞破壞，其破壞機理和空氣中的疲勞破壞機理是明顯不同的，當然壽命也不會一樣，在海上中部存在疲勞強度極限。海水腐蝕疲勞破壞機理主要是電化學作用。

海洋環境中各種鋼鐵結構物，因腐蝕破壞導致結構物失效的事例很多，原因主要有三方面：金屬材料、環境、設計。金屬材料原因有：有害元素超標，熱處理不當，加工工藝不合理導致表面有殘余應力、裂紋或裂痕，連接材料匹配不合理，表面污損。環境因素有：介質氧化性太強，環境腐蝕性強，特殊環境因子的影響，如振動、空泡、疲勞、殘余應力和周期應力，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、深水區及表層水域。設計方面有：縫隙的影響如鋼纜、軸承、套管、蓋、螺栓等，恒應力和周期循環交變應力影響，金屬不合理匹配，陰極保護電位較低。

二、海上風電基礎運行期間的無損檢測要求

根據挪威船級社標準DNV-OS-J101的海上風電運行設備防腐檢查要求，每5年應安排無損檢測。海上風電鋼構基礎，尤其是多管樁鋼構基礎受力復雜，運行中極易產生危險性缺陷。尤其是運行中受應力大的構件，如導管架的斜撐桿上端相貫線位置，應按規范要求進行焊縫無損檢測（見圖3），以掌握鋼結構基礎的健康狀況。

海上機組基礎無損檢測存在其特殊性：重防腐涂層厚度大（800μm以上），檢測難度大；嚴峻的海上風電腐蝕環境，不利于油漆修補質量，技術上要求不破壞油漆涂層、帶油漆進行的無損檢測方法。而傳統的超聲波、磁粉等無損檢測方法，都需要打磨涂層才能達到檢測靈敏度。脈沖電磁法應運而生，滿足了海上風電基礎的無損檢測要求。

三、脈沖電磁法無損檢測在海上風電場的應用

（一） 脈沖電磁法無損檢測

檢測原理：磁化裝置對被檢構件表層進行磁化，當傳感器掃查至表面裂紋處，即產生漏磁場；檢測線圈對漏磁場感應并轉變成電信號；電信號送至信號整形和處理單元，加以分選、整流和放大；超越給定“閾”值部分的數據信號，通過聲、光顯示。優點：對表面、近表面裂紋進行探測，不要求清理被檢構件表面，不需要進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。

技術參數：靈敏度：表面裂紋（焊縫/母材）深度≥0.5/0.3mm、長度≥5/3mm、寬度≥0.01mm；被檢構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；內置式充電電源最大連續供電時間：可連續工作10余小時；工作環境：溫度-5℃－55℃，相對濕度-45%－80%，大氣壓力630mmHg－800mmHg。

（二）試板驗證

為了驗證脈沖電磁法檢測的靈敏度和操作人員檢測結果判斷，特進行試板驗證評估。

1. 試板制作

為了先制作檢測試塊，在多管樁鋼構基礎同等焊接狀態下制作模擬缺陷，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分別為電火花技術刻制的人工模擬裂紋，長度均約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。試板表面按機組基礎防腐涂層工藝涂覆。

2. 試板驗證

先進行儀器校準，再試板檢測（圖5）。檢測結果（表1所示）：檢測出缺陷6處，缺陷位置、靈敏度與模擬缺陷基本相符；初檢時發現儀器在檢測狀態改變時歸零不穩，經對儀器充足電后，歸零正常。結論：該方法在不損傷防腐油漆涂層情況下，達到檢測要求。

表1　試板檢測結果

表2　檢測出缺陷的機位

（三） 現場檢測

檢測依據：《鋼結構工程施工質量驗收規范》、承壓設備無損檢測（JB/T 4730-2005）。檢測方法：檢測時將馬鞍形角焊縫分為三個區域分別進行檢測，檢測角焊縫上部和下部焊趾區域時，探頭長軸與焊趾延伸方向一致置于焊趾上，調置儀器零位后，將探頭順焊趾移動；檢測角焊縫表面時，探頭長軸與焊縫延伸方向一致置于焊趾上，調置儀器零位后，探頭沿角焊縫方向掃查角焊縫表面，探頭每次掃查區域應與前次掃查時有10%的重疊，并覆蓋整個角焊縫表面（見圖6）。檢測結果：共檢測6臺，發現2臺各有一處裂紋，4臺正常。具體如表2所示。

海上風電基礎無損檢測的最大特點是帶油漆檢測，以適于海上防腐要求。為海上試驗風電場在役鋼構基礎的腐蝕疲勞早期檢測提供了現場數據，為進一步消缺和腐蝕疲勞防范確定了跟蹤對象和工作重點。同時也看出：海上風電基礎的腐蝕疲勞監測、早期防范很有必要。

結語

通過對腐蝕疲勞、無損檢測的分析，以及脈沖電磁法無損檢測在海上風電場運行機組基礎無損檢測的應用案例，可以得出：

（一）海洋環境下的機組基礎腐蝕疲勞早期檢測和跟蹤很有必要：海上機組基礎的無損檢測需考慮不損傷現有的防腐油漆涂層；脈沖電磁法無損檢測在海上風電場運行機組基礎無損檢測的應用，顯示該方法可以發現腐蝕疲勞的早期裂紋。

（二）無損檢測技術的發展和應用，是海上風電運行基礎腐蝕疲勞檢測的基本保障；腐蝕疲勞裂紋的及時發現和有效處理，是海上風電安全生產運行的重要課題和研究方向。

(作者單位：張鋼，劉碧燕：江蘇海上龍源風力發電有限公司；馮寶平：龍源電力集團股份有限公司)