試論海上風電鋼構基礎腐蝕疲勞及早期檢測

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

還被稱作交變應力腐蝕，主要是在腐蝕的環境中，相關材料所承受的交變載荷出現了疲勞破壞的情況。鋼構的疲勞極限，因為應力的時間延長加上處于腐蝕的環境中，所以，在聯合性的作用下被降低，從而出現了脆性斷裂，并逐漸的蔓延，造成了過早的破裂，因此被叫做腐蝕疲勞。簡單的交變應力或者腐蝕所帶來的破壞程度遠遠沒有該破壞大。

2、腐蝕疲勞斷裂

相關鋼構內因為長期大量地積累腐蝕疲勞所產生的損傷，就會出現初始的疲勞裂紋，并逐漸擴散，如果該裂紋蔓延到一定程度后，就無法承受外載，使裂紋開始迅速地擴大，最終使整個構件出現斷裂。

1.2 腐蝕疲勞的特征

出現腐蝕疲勞的原因通常是因為表面出現了腐蝕坑或者缺陷，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出鋸齒形狀。當腐蝕較大，應力較小時，裂紋的上方呈現出圓鈍狀；如果腐蝕較小，應力較大，那么裂紋的上方就會比較尖。斷口的位置存在著被腐蝕的特征，也有疲勞的特征。主要變現為：腐蝕出現的物質、腐蝕坑、腐蝕溝、槽式臺階和疲勞弧帶、疲勞溝紋、疲勞臺階等。疲勞裂縫通過微觀觀察表現為穿晶型，沒有分枝或者少數分枝。

無論在何種腐蝕環境內，金屬材質都會出現腐蝕疲勞，例如：碳鋼和低合金鋼。鋼對腐蝕疲勞的敏感程度會因為其強度的不斷提升而增加。不需要固定的腐蝕系統就能產生腐蝕疲勞。如下圖所示為鋼在四種不同環境中的S-N曲線圖，根據圖中可知，鋼的疲勞極限在真空、空氣以及預先侵蝕中會逐漸地降低。材料在腐蝕疲勞下出現斷裂的交變應力會逐漸降低，沒有任何的疲勞極限。當交變應力的加載頻率逐漸降低時，平均的應力就會逐漸增大，相應的材料強度就會越大，那么腐蝕疲勞裂紋蔓延的速度就會越快。

1.3 腐蝕疲勞帶來的危害

腐蝕疲勞出現的斷裂，和應力的腐蝕破壞以及機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了斷裂的情況，該過屬于簡單的機械性行為，和環境以及介質沒有任何關系。腐蝕疲勞的斷裂屬于脆性的，整個斷裂周圍不存在塑變的情況，也就是說，在發生腐蝕疲勞斷裂之前，不會產生顯著的宏觀塑性變形，用于提前預警，因此，這個就是腐蝕疲勞最大的危害之處。

1.4 預防腐蝕疲勞的方法

想要讓腐蝕疲勞得到有效地緩解，就要對防腐性的材料進行選擇，然后表面殘留的應力可以對噴丸的處理方法來進行應用，使其得到下降，例如：熱噴鋅、鋁、防腐涂層以及包覆防腐等。使用任何方式來使材料的防腐能力得到提升，都能夠使腐蝕疲勞的強度提高。當遇到不能提前預防和沒有辦法避免的腐蝕疲勞，就要對其進行及時的檢測，當發現了問題要及時采取措施進行處理，確保機組能夠安全地運行。

2 腐蝕疲勞的早期檢測

2.1 超聲波檢測法

該方法主要是利用了超聲波在試件中傳播的特點。在檢測中遇到氣孔、裂紋、分層或者夾雜時，超聲波在傳播過程中就會出現全反射或者部分反射的情況。探頭會將反射的超聲波進行接收，然后對儀器中的電路進行利用并處理超聲波，然后超聲波顯現在儀器的熒光屏上，表現形式為高度不同，存在著一定距離的波形，從而能夠對工件內出現缺陷的地方、深度以及形狀進行明確。該方法的主要優點有：可以將其應用到檢測金屬、非金屬和復合材料中；具有較高的穿透能力，能夠檢測比較厚的材料；可以對缺陷位置進行確定以及定量，對于檢測面積型的缺陷比較適用；具有較高的靈敏性、應用成本比較低、檢測速度快、不會帶來危害。其存在的缺點有：最終結果不具有直觀性，需要在表面較為平順光滑的地方進行使用，不方便進行保存。

2.2 磁粉檢測法

該方法主要是將需要檢測的工件放到磁場環境中，然后使部分或者整體被磁場磁化。如果該部件的表面或者臨近表面的地方有裂紋、夾雜、氣孔或者沒有熔合焊透的缺陷部位，就會在其表面產生漏磁場而有磁力線漏出的情況，之后會對磁粉進行吸附，最終在缺陷處產生聚集性的磁粉痕跡，可以判斷缺陷出現的地方、大小及其形狀。該方法的主要優點有：能夠應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中，使用成本比較低，操作上簡單方便，反應能力較高。其存在的缺點有：對于沒有磁性的材料無法使用該方法進行檢測，不能對缺陷的深度進行確定，同時在對其進行使用時會產生一定的電磁輻射。

2.3 渦流檢測法

該方法主要是對電磁感應的原理進行運用，在對缺陷進行判定時，主要依靠的就是在所檢測部件內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線圈，且該線圈有交流電通過，此時該線圈的內部就會形成一個磁場，從而讓部件內出現感應交變電流，該電流呈現出旋渦狀，即渦流。產生的渦流大小決定了金屬材料中的缺陷形狀。主要的優點有：檢測所使用的線圈不用同檢測物直接進行接觸，其檢測的速度比較快。存在的缺點有：對于形狀比較復雜的部件，只能對其表面的缺陷進行檢測而無法深入。

2.4 滲透檢測法

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的部件表面，表面存在缺陷的地方會因為毛細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回到顯像劑中，然后將檢測部件放到光源下，有缺陷的地方就會被顯現出來，進而可以對缺陷的形狀和分布情況進行判斷。該方法的主要優點有：能夠在各種材料中進行應用，具有比較高的靈敏性，所顯示出來的缺陷具有直觀性，操作比較便捷。存在的缺點有：操作的流程比較復雜，速度也比較慢，同磁粉檢測相比靈敏度較低，并且其只能對表面存在開口的缺陷進行檢測。

2.5 射線照相檢測法

主要應用到的射線有X射線、γ射線和中子射線，肉眼沒有辦法看到的物質可以通過射線來實現并產生膠片感光，膠片乳劑層內的乳化銀會隨之而出現潛影。射線在照射具有不同密度的物質時，該物質對其吸收的系數會有所差異，同時膠片各處所被射線照射以后的能量也會有一定的不同，此時在對缺陷進行判斷時，可以對經過暗室進行處理的底片各個部分不同的黑度來進行判斷。該方法的主要優點有：生成的圖像具有直觀性，能夠準確地對缺陷進行定性和定量，并且可以長期保存該記錄；檢測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；對于角焊縫不適合應用。存在的缺點有：當缺陷的類型為面積型（即沒有焊透或者沒有熔合以及出現裂紋的地方）時，如果照射的角度不恰當，容易出現漏檢的情況；在檢測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，檢測的速度低；其所產生的輻射對人體具有一定的威脅。

3 海上風電對無損檢測的要求以及相關應用

3.1 海上風電的腐蝕情況

海上風電的基礎性結構一般都會對熱軋低合金高強度的結構鋼材料進行應用，其材質主要是Q345D，焊接方式為雙面坡口焊接，以及全焊透形式，在進行驗收時，要根據一級標準《鋼結構工程施工質量驗收規范》[1]。為了使焊接的質量得到有效保證，需要對焊接的預熱、焊接各個層次之間的溫度、后熱保溫方式、消除焊接線能量和焊接時殘存的應力等進行控制和處理。

機組鋼構基礎因為海洋氣候環境的影響，而產生了大量的腐蝕，這些腐蝕使疲勞損傷的速度加快，同時疲勞的載荷不斷增加而是腐蝕的程度加劇。所以，腐蝕疲勞從嚴格意義上講，空氣以及各個氣體環境或者液體環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境中的金屬結構出現了疲勞破壞，該破壞的機理和在空氣中所產生的破壞機理存在著明顯的區別，因此使用的時間也會存在差異，疲勞強度的極限存在于海上中部。電化學作用就是海水腐蝕疲勞破壞的機理。

種類不同的鋼鐵結構物在海洋環境中，會因為出現腐蝕破壞而使鋼鐵結構物失去作用，主要有三個方面的原因，即金屬材料、環境和設計。其中，金屬材料的原因是：有害元素高于標準值，熱處理不合適，使用了缺乏合理性的加工技術，導致了應力、裂紋或者裂痕殘留在了表面，所使用的連接材料無法適配，表面出現了污漬或者破損。環境的原因有：環境中存在著高氧化性的介質，整體環境具有較高的腐蝕性，環境中一些特殊的因素產生的影響，例如：振動、空泡、疲勞、殘余應力以及周期應力。微型生物或者大型生物帶來的影響，比較散亂的電流，金屬所在的環境地點不一樣，例如：海泥區域、深水區域或者表面的淺水區域。設計的原因有：縫隙產生的一些影響，例如：鋼纜、軸承、套管、蓋以及螺栓等方面出現的縫隙，恒應力和周期循環交變應力帶來的影響，所使用的金屬和環境嚴重不配套，陰極的保護電位不高。

3.2 海上風電鋼構在運行過程中使用無損檢測的需求

在對海上風電運行設備進行防腐檢驗時，可以根據相應的標準要求來進行檢測，并保證每個5年都要進行一些無損檢驗。海上風電的鋼構基礎，特別是多管樁的鋼構基礎具有比較復雜的受力，因此在實際的運行過程中，非常容易因為缺陷而出現危險。危險最大的就是受應力最大的運行中的相關構件。所以，需要根據相應的檢測標準來對鋼構基礎的焊縫位置進行無損檢測，從而能夠及時地對鋼構基礎的情況進行了解。

在對海上風電鋼構進行無損檢測時，有著極大的特殊性。例如：其所涂抹的防腐層比較厚，所以檢測時具有巨大的困難性；海上風電的腐蝕環境比較惡劣，在對油漆進行修補時無法達到相應的質量標準，在對其進行檢測時，需要保證油漆的涂層不被破壞，因此在檢測中會存在著油漆。如果應用傳統的超聲波、磁粉等無損檢測方式，需要將相應的防腐涂層進行打磨，直至其能夠滿足檢測的靈敏性要求。所以為了能夠使海上的鋼構基礎的無損檢測需求得到滿足，可以對脈沖電磁法進行應用。

3.3 海上風電鋼構檢測中對脈沖電磁法進行運用

3.3.1 檢測原理

需要檢測的鋼構表面使用磁化的裝置進行磁化處理，并使用傳感器對表面進行掃描，如果遇到出現裂紋的地方就會出現磁場泄漏的情況；泄漏出來的磁場會被檢測的線圈所感應到，然后將該部分磁場轉化成電信號；將電信號傳輸到信號整形和處理單元中，然后會對這些信號進行分類選擇、整合電流并進行放大處理；一些數據信號出現了高于限度值的情況，會由聲或者光將其展現出來。該方法的主要優點是：能夠檢測到表面和臨近表面有裂紋的地方，在檢測時，不要對鋼構表面進行清潔，同時也不需要人員來對其進行磁化處理，加入磁粉或者磁懸液；能夠將疲勞處、腐蝕位置和因為制造工藝而出現的表面裂紋情況找到；在發現缺陷方面的表現形式更具有直觀性。

3.3.2 技術參數

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；需要檢測的鋼構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；內置的充電電源連續供電的最長時間不能超過10個小時左右；檢測時所處的環境溫度應該保證在-5℃到55℃之間，空氣的相對性濕度應該在－45%—80%范圍內，大氣的壓強要在630mmHg-800mmHg。

3.3.3 現場檢測

檢測時要根據《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）[2]。檢測的方式為：馬鞍形角焊縫部分應該分成三個部分，然后在分別對這三個部分進行檢測。在對角焊縫的上方和下方的焊趾位置進行檢測時，焊趾上安放一個和焊趾延伸方向相同的探頭長軸，并將儀器歸零，向焊趾的方向移動探頭；在對角焊縫的表面進行檢測時，在焊趾上放置一個和焊縫延伸方向相同的探頭長軸，然后將儀器歸零，順著角焊縫的方向使用探頭對角焊縫的表面進行掃描探查，在對相關位置進行掃描和探查時，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。

在使用無損檢測對海上風電鋼構基礎進行檢測時，帶有油漆的檢測形式是其所具有的最大特點，滿足海上的防腐需要[3]。對海上風電鋼構基礎進行無損檢測，可以對海上正在運行的鋼構基礎腐蝕疲勞進行及早地預防，同時也能夠明確腐蝕疲勞的防范對象和之后防腐的重點。對海上風電鋼構基礎的腐蝕疲勞進行早期的檢測和方法具有十分重要的作用。

4 結語

根據對無損檢測和腐蝕疲勞進行分析，以及在海上風電鋼構基礎對無損檢測進行應用的闡述中可以知道：1、對鋼構基礎在海洋環境中的腐蝕疲勞進行初期的檢測和跟蹤監測具有一定的重要性：在使用無損檢測對海上風電鋼構基礎進行檢測時，需要保證鋼構基礎現有的防腐油漆涂層不被破壞；在對海上風電鋼構基礎進行檢測時，使用脈沖電磁法，該方法對于早期的腐蝕疲勞出現的裂紋檢測具有十分顯著的效果。2、海上風電在實際運行中，對于檢測其腐蝕疲勞有著基礎性保障的就是無損檢測技術的使用和發展；無損檢測技術能夠及時地發現腐蝕疲勞的裂紋，并采取相應的措施進行及時處理，保障了海上風電的運行安全性，同時該方法也成為了未來的重要研究課題。