干濕交替環(huán)境對海洋鋼腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響

洪 波，黃 一，吳智敏

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連116024)

浪濺區(qū)和潮差區(qū)是海洋鋼結構腐蝕最嚴重的區(qū)域[1－4]。處于此區(qū)域的結構除長期環(huán)境腐蝕因素的影響外，還經(jīng)受海流和波浪沖擊產(chǎn)生的沖刷作用和附加載荷作用[2]。潮汐和浪濺會導致金屬表面處于持續(xù)干濕交替狀態(tài)。研究表明，干濕交替過程會增加氯離子的滲透速率，增加腐蝕電流，從而加速腐蝕過程[5－8]。

潮差和浪濺的存在導致結構不同位置的干濕交替時間各有不同。研究表明，單純的腐蝕速率隨干濕交替時間比降低先增加后減小[10]。對于相同的干濕比、不同的浸泡時間(即間浸頻率)來說，金屬的腐蝕也存在明顯差異，這主要與干燥階段有著密切的關系[11]。干濕循環(huán)的干燥和潤濕時間比例對氯離子擴散速度也有很大影響，金屬材料在干燥階段的時間越長，毛細作用越顯著，氯離子滲透速度越快[8]。在干濕交替和荷載循環(huán)的共同作用下，鋼結構在腐蝕周次較低時，能較快獲得穩(wěn)定的銹層;腐蝕周次較高時，在長時間的循環(huán)載荷影響下，鋼的外銹層會更易產(chǎn)生裂紋甚至脫落[12]。

目前，國內外對海洋鋼在干濕交替下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率研究較少。學者們主要研究集中于對純腐蝕狀態(tài)的研究[5－10]，或者對碳纖維、玻璃纖維等納米復合材料以及合金材料在干濕環(huán)境的電化學性能的研究[12－16]。而對干濕交替時間比(干濕比)在腐蝕疲勞中影響的研究有所欠缺。了解干濕比對腐蝕裂紋擴展規(guī)律對找出海洋鋼結構最薄弱位置有重要作用。

1 試驗研究

1.1 試驗材料與樣品制備

試驗鋼材是西日本制鐵所出產(chǎn)的D36熱軋鋼板。鋼材的化學成分及力學性能分別見表1、表2。

表1 化學成分 單位:%

表2 力學性能

根據(jù)規(guī)范《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》[17](GB/T 6398 －2000)設計標準三點彎曲試樣，其幾何尺寸為16 mm×32 mm×150 mm，如圖1所示。試樣的設計參數(shù)、工藝參數(shù)均嚴格按照國標進行。腐蝕液采用大連黑石礁天然海水，海水經(jīng)過過濾處理無雜質。

圖1 三點彎曲標準試樣尺寸圖

1.2 試驗裝置及試驗條件

加載裝置為美國MTS810電液伺服試驗機(圖2)，數(shù)據(jù)采集裝置為德國進口IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗開始前，測出試樣的斷裂韌度為 54.7 MPa·m1/2，進而設定疲勞荷載，以10 Hz的加載頻率制備出約2 mm長的預制裂紋。

腐蝕疲勞裂紋擴展試驗在MTS810電液伺服試驗機上進行。本試驗采用自主研發(fā)的海水自動循環(huán)系統(tǒng)，其中包括腐蝕盒，腐蝕產(chǎn)物過濾裝置，微型水泵，臨時儲水箱，以及流速控制閥門。腐蝕環(huán)境箱如圖3所示。本試驗采用荷載控制，波形為正弦波，最大荷載為20 kN，應力比R=0.1。裂紋長度是利用柔度法[18]處理夾式引申儀測得的裂紋張開口位移得到。

圖2 三點彎曲標準試樣尺寸圖

圖3 腐蝕箱及加載裝置示意圖

本試驗共包含 15 種工況，其中 0.2 Hz、1 Hz、5 Hz三種頻率下各5種，分別涉及空氣、海水、干濕交替時間比(干濕比)k=1、k=0.5、k=0.33。實驗時，所有工況下干濕交替的循環(huán)次數(shù)超過5次，且相互之間相差不超過2，避免間浸次數(shù)對裂紋擴展試驗結果的影響。其中，

式中:t1為干燥時間;t2為浸水時間。

2 結果與討論

利用柔度法計算得到的裂紋長度，采用規(guī)范[17]推導的七點增量法可以求得對應周期的裂紋擴展速率，再根據(jù)相關公式計算出對應裂紋長度的應力強度因子幅度，最終利用Paris公式擬合得到腐蝕疲勞裂紋擴展速率曲線。

2.1 同頻率情況下，干濕比對腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響

同頻率下，干濕比對腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響見圖4～圖6。由圖4可知0.2 Hz下，干濕交替增加了腐蝕疲勞裂紋擴展速率。低應力強度因子幅度時，干濕交替的影響較大，并且隨著干濕交替的時間比k的減小，裂紋擴展速率越來越快;高應力強度因子幅度時，干濕交替的影響較小，當Δk足夠大時，裂紋擴展速率與空氣基本一致。

圖4 0.2 Hz時干濕比對裂紋擴展速率的影響

1 Hz時，干濕交替對裂紋擴展速率的影響明顯減小。不同干濕比作用下，裂紋擴展速率較之空氣中略有提高，但各干濕比之間的裂紋擴展速率相差不大，接近海水中的情況。從圖5可看出，低應力強度因子幅度時，當干濕比到達一定值，存在擴展速率超過純海水的情況。

圖5 1 Hz時干濕比對裂紋擴展速率的影響

圖6 5 Hz時干濕比對裂紋擴展速率的影響

由圖6可以看出，當荷載頻率達到5 Hz時，干濕交替對處于低應力強度因子幅度階段的裂紋擴展速率無影響。干濕交替時間比不大于1的情況下，裂紋擴展速率跟海水中基本一致。

綜上所述，加載頻率會影響干濕交替的腐蝕作用，且頻率越低影響程度越大。因為當頻率較高時，裂紋張開閉合的時間較短。當腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生之后，無法及時排除，造成裂紋尖端腐蝕產(chǎn)物堆積的現(xiàn)象，這一定程度上阻礙了腐蝕反應的繼續(xù)。這種抑制速率的作用使不同干濕交替時間比的影響趨于一致;而頻率較低時，則不存在上述這種情況。

對低頻率低應力強度因子幅度的情況，隨著干濕交替的時間比的減小，裂紋擴展速率存在一種先增大后減小，最后趨于海水中裂紋擴展速率的現(xiàn)象，而且理論上存在隨頻率變化的一個“臨界干濕比”，使裂紋擴展速率最大。這也恰好可以解釋不同深度海洋平臺腐蝕速率不同的現(xiàn)象，因為從大氣區(qū)到全浸區(qū)，干濕交替的時間比是逐漸變小的，所呈現(xiàn)的腐蝕速率也近似存在先增大后減小的趨勢。

2.2 同干濕比情況下，頻率對腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響

在干濕比相同情況下，頻率對腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響見圖7～圖9。由圖7～圖9可以看出，對于同一干濕交替時間比而言，在低應力強度因子幅度區(qū)域，0.2 Hz遠大于1 Hz和5 Hz作用下的腐蝕疲勞裂紋速率。而1 Hz和5 Hz之間擴展速率相差不大;隨著應力強度因子幅度的增大，不同頻率之間的差異在逐漸減小，到達一定值時，各頻率趨于一致。

圖7 k=1時三種頻率的裂紋擴展速率

這種現(xiàn)象同樣是由于腐蝕產(chǎn)物堆積的影響。隨著應力強度因子幅度的增大，裂紋張開口也越大，腐蝕產(chǎn)物在流動海水中被沖刷走，裂紋擴展速率趨于一致。干濕交替主要影響低應力強度因子幅度的部分，主要原因是低應力強度因子幅度較小時，腐蝕作 用占主導，而干濕交替正是加速腐蝕的重要因素。

圖8 k=0.5時三種頻率的裂紋擴展速率

圖9 k=0.33時三種頻率的裂紋擴展速率

表3 不同試驗條件下的D36海洋平臺用鋼裂紋擴展速率方程系數(shù)表

3 結論

本文通過三點彎曲試驗研究了干濕交替環(huán)境對腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響，得到不同工況下D36海洋鋼腐蝕疲勞裂紋擴展Paris公式da/dN=C(Δk)m參數(shù)，如表3所示。經(jīng)過上述討論得到了下面兩條結論:

(1)干濕交替只有在低頻荷載作用下有顯著影響，對于高頻情況基本無影響;當干濕時間比達到一定值時，低應力強度因子幅度會出現(xiàn)超過自然海水腐蝕的情況，這個干濕比的值隨著荷載條件變化而不同;對于同一干濕交替時間比，隨著頻率的降低，呈現(xiàn)出先基本不變，后逐漸增大的趨勢。(2)對低頻率低應力強度因子幅度的情況，隨著干濕交替的時間比的減小，裂紋擴展速率存在先增大后減小現(xiàn)象。存在使裂紋擴展速率最大的“臨界干濕比”。

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