某型鋼纜表面腐蝕的可靠性研究

楊志成(92419部隊(duì) 遼寧 興城 125106)

引言

沿海地區(qū)海洋大氣的特點(diǎn)，除濕度大外，鹽霧也較多，使空氣中含有大量的鹽分。離海愈近，空氣中的含鹽量愈大。這些鹽分容易吸潮，本身也易溶解，形成電解質(zhì)液膜，加速合金腐蝕[1]。尤其是氯化鈉，溶解后在液膜中形成氯離子,氯離子表面活性很強(qiáng)，能破壞合金的鈍化膜保護(hù)層，產(chǎn)生更深層次的腐蝕。

一、點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕是局限在金屬表面上個(gè)別小點(diǎn)的腐蝕。 點(diǎn)蝕的形成過(guò)程可分為四個(gè)階段[2]:(1)在鈍化膜上以及鈍化膜或固溶體邊緣萌生點(diǎn)蝕;(2)在鈍化膜內(nèi)萌生點(diǎn)蝕，此時(shí)看不到鈍化膜內(nèi)有微觀變化;(3)所謂的亞穩(wěn)點(diǎn)蝕階段，在臨界點(diǎn)蝕電位以下，亞穩(wěn)點(diǎn)蝕在短時(shí)間內(nèi)萌生并擴(kuò)展進(jìn)而發(fā)生再鈍化 (這是點(diǎn)蝕的一個(gè)過(guò)渡階段);(4)臨界點(diǎn)蝕電位以上，穩(wěn)定點(diǎn)蝕擴(kuò)展階段。由于氯離子濃度不同，蝕孔有大有小，多數(shù)為小孔或小坑，深度約幾十微米，直徑小于或等于其深度?？椎姆植迹诒砻嫔嫌械妮^分散，有的較密集。

二、可靠性評(píng)價(jià)模型

本文從可靠性設(shè)計(jì)角度，僅對(duì)鋼纜在海洋環(huán)境氣候中常常發(fā)生的點(diǎn)腐蝕形式進(jìn)行可靠性評(píng)估。由于點(diǎn)蝕具有高度的局部性，蝕孔有的孤立存在，有的則成群緊湊在一起，同時(shí)坑的深度變化范圍也很大，要度量和評(píng)定點(diǎn)蝕損傷比較困難，因此本文的有關(guān)參數(shù)采用統(tǒng)計(jì)方法。

1.評(píng)價(jià)模型的主要思路

(1)幾點(diǎn)假設(shè)

a.設(shè)金屬表面無(wú)論加工得多么平整，它們的表面仍然布滿了大小不同的凹坑。

b.每個(gè)凹坑本身形成一個(gè)“腐蝕單元”，該“單元”腐蝕到許用腐蝕量時(shí)，就認(rèn)為該“單元”失效。

c.在同一表面上只要有一個(gè)”腐蝕單元”失效，則稱該表面整體失效。

d.每“腐蝕單元”之間的失效時(shí)間隨機(jī)變量互為獨(dú)立。

由于以上假設(shè)，就可以將金屬腐蝕表面視為由多個(gè)“腐蝕單元”所組成的串聯(lián)系統(tǒng)，即只要在n個(gè)“腐蝕單元”中有某一個(gè)單元最先發(fā)生失效，則系統(tǒng)發(fā)生失效。

(2)極值分布的數(shù)學(xué)推導(dǎo)

設(shè)從無(wú)窮母體中抽取一隨機(jī)樣品，其樣品容量為n(x1、x2、……、xn)，x的累積分布函數(shù)為F(x)(-∞ ＜x＜∞),令yn=m in(x1、x2、……、xn),即 yn是 x1、x2、……、xn的 n 個(gè)樣品試驗(yàn)結(jié)果的觀測(cè)值中最小的那一個(gè)或者最先發(fā)生的那一個(gè)。yn本身也是一個(gè)隨機(jī)變量。

x的累積分布函數(shù)是F(x),

這對(duì)于yn的累積分布函數(shù)Gn(y)就是：

將上式對(duì)y微分。

2.可靠性評(píng)價(jià)模型的建立

設(shè)凹坑貫穿的時(shí)間正比于鋼纜直徑D與凹坑初始深度di之差。

設(shè)凹坑的初始深度隨機(jī)變量服從于截尾指數(shù)分布，其函數(shù)如下：

因?yàn)?1-F(d)=P(di＞ d),

又另ti是第i個(gè)凹坑的失效時(shí)間，

設(shè)ti=K(D-di)

由于G(t)=P(ti＜t)=P[K(D-di)＜t]

知d=D-t/K

可得

因?yàn)?1-e-λD=e-λD(eλD-1)，所以

設(shè)金屬腐蝕的失效時(shí)間隨機(jī)變量為t，則t=m in(tii=1，2，……，N)

當(dāng)金屬腐蝕的第一個(gè)凹坑變?yōu)榭锥磿r(shí)，就判為失效，根據(jù)式有：

上式中T為規(guī)定的工作時(shí)間。

由于凹坑的數(shù)量非常之大，N→∞時(shí)，則有

英國(guó) 《自然》雜志近日發(fā)表了一項(xiàng)材料學(xué)最新研究成果：美國(guó)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種新型制造方法，將發(fā)光二極管 (LED)和傳感器直接織入了紡織級(jí)聚合物纖維中。該工藝可用于開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)光通訊和健康監(jiān)測(cè)的新型可穿戴技術(shù)。能夠發(fā)射或探測(cè)光的半導(dǎo)體二極管是通訊和傳感器技術(shù)的基本構(gòu)件。如果能將它們?nèi)谌肟椢镏?，則有望創(chuàng)造出新型可穿戴電子設(shè)備。然而事實(shí)證明，要將半導(dǎo)體器件的功能與基于纖維的紡織品的可擴(kuò)展性結(jié)合起來(lái)，實(shí)屬一件棘手的事。

將式代入上式可得，

定義 α=N/(eλD-1)；γ=λ/K

則 U(t)=1-exp[- α(eγt-1)]t≥0

將式兩邊微分，

上式為凹坑失效時(shí)間密度函數(shù)。

四、鋼纜實(shí)例應(yīng)用

關(guān)于鋼纜的點(diǎn)腐蝕可靠度評(píng)價(jià)。其已知條件是：

1.鋼纜具有：S=π(D/2)2×L=12096865mm2的海水腐蝕面積，在不考慮涂層的情況下，其最大潰瘍腐蝕速度為0.17mm/年，即腐蝕速率γ=0.17mm/年，腐蝕系數(shù)K=1/γ=5.88年/mm。

2.鋼纜材料是柔性高強(qiáng)度鋼，按照直徑由大到小的順序連接在一起，最小直徑為1.63mm。

3.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，鋼纜表面凹坑平均深度為h=0.198mm。

4.設(shè)定在腐蝕面積上有凹坑數(shù)平均N=104(個(gè))。

知被腐蝕鋼纜的可靠度為:

設(shè)定鋼纜規(guī)定的可靠度為0.9時(shí)，可得

?

小結(jié)

鋼纜由于受工藝與加工設(shè)備等多種因素的影響，其表面是凸凹不平的，因此其耐腐蝕層的深度是一個(gè)隨機(jī)變量，本文從可靠性角度出發(fā)，將參入計(jì)算過(guò)程的初始凹坑深度視為隨機(jī)變量，利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行界定，這種方法更接近實(shí)際情況，它使受腐蝕鋼纜的安全使用更加可靠。

[1]朱絨霞.沿海地區(qū)飛機(jī)鋁合金部件點(diǎn)蝕坑形成的探討[J].裝備環(huán)境工程,Vol.1,No.3,2004.

[2]陳學(xué)群，孔小東，楊思誠(chéng).硫化物夾雜對(duì)低碳鋼坑孔的腐蝕擴(kuò)展的影響［J］.中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2000.4(2)：65-73.

[1]注：楊志成，男，工程師，碩士研究生，研究方向是金屬材料。