含腐蝕缺陷的耐壓殼極限強(qiáng)度研究現(xiàn)狀及展望

馬曉龍，吳 梵，滑 林，張 二

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

0 引 言

潛艇作為現(xiàn)代軍事環(huán)境中的重要海軍作戰(zhàn)兵力，是維護(hù)我國海防安全，推進(jìn)軍事戰(zhàn)略縱深發(fā)展的中堅(jiān)力量。但由于潛艇長(zhǎng)期服役于海洋環(huán)境復(fù)雜、鹽度較高的深海中，加之其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜特殊，腐蝕問題相比水面艦船更加突出，一直是世界各國海軍研究的重要課題[1–2]。隨著潛艇服役一定年限后，其極限承載能力在腐蝕為主導(dǎo)，疲勞、變形等損傷的聯(lián)合作用下降低尤為明顯，造成重大的安全隱患。因此，腐蝕已經(jīng)成為影響潛艇服役安全、壽命、可靠性的最重要因素[3]。

關(guān)于潛艇耐壓殼極限承載力方面的研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量工作[4–5]，并發(fā)展出大量成熟的理論，但是考慮含腐蝕缺陷的耐壓殼極限承載力研究還在不斷豐富中，更重要的是，目前對(duì)于潛艇結(jié)構(gòu)局部腐蝕的相關(guān)研究方法和潛艇實(shí)艇腐蝕數(shù)據(jù)庫的建立工作開展還相當(dāng)匱乏，所以如何準(zhǔn)確評(píng)估腐蝕對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)安全性的影響是當(dāng)今時(shí)代下亟待解決的新課題。

1 耐壓殼海洋腐蝕及檢測(cè)技術(shù)概述

1.1 高強(qiáng)度鋼腐蝕概況

潛艇長(zhǎng)期服役于鹽霧、海水等高Cl-的復(fù)雜環(huán)境，受到海水及海洋物的作用而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[6]。尤其隨著潛艇下潛深度不斷增大，常用鋼強(qiáng)度不斷提高，耐壓殼需要承受不斷下潛和上浮產(chǎn)生的周期性載荷提升，耐壓殼在深海中腐蝕問題呈現(xiàn)出更加復(fù)雜化和多樣化[7–8]。

高強(qiáng)度鋼表面腐蝕情況可根據(jù)其腐蝕形態(tài)及研究目的側(cè)重點(diǎn)不同，采用不同的參數(shù)加以描述。根據(jù)腐蝕形成的不同機(jī)理，一般將金屬腐蝕類型分為點(diǎn)腐蝕、均勻腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、沖擊腐蝕、空泡腐蝕等[9]。其中常見的腐蝕缺陷大致分為均勻腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)腐蝕。

1.2 腐蝕檢測(cè)技術(shù)

目前各種腐蝕檢測(cè)技術(shù)在海洋鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)室腐蝕研究領(lǐng)域等得到廣泛使用。腐蝕損傷檢測(cè)方法主要有機(jī)械法、無損檢測(cè)和電化學(xué)法。通常采用的無損檢測(cè)方法包括：超聲波、射線、渦流、漏磁、滲透、紅外檢測(cè)和聲原理檢測(cè)等[10–11]。除此之外，不同研究學(xué)者根據(jù)具體研究對(duì)象不同，針對(duì)性提出一些新型檢測(cè)方法，如拉曼光譜技術(shù)和光纖腐蝕傳感技術(shù)等。

甘芳吉等[12]在挪威科技工程院提出的監(jiān)測(cè)沿海鋼套焊接區(qū)裂紋發(fā)展的場(chǎng)指紋法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地應(yīng)用到管道的腐蝕監(jiān)測(cè)上來，即在管道外圍按照測(cè)量要求布置一系列電極，在被監(jiān)測(cè)的管道上施加直流激勵(lì)電流，通過觀察電極間的電位差來判斷腐蝕情況，并針對(duì)小型腐蝕坑的難以監(jiān)測(cè)的情況，創(chuàng)新提出主輔電壓來準(zhǔn)確區(qū)分小腐蝕坑的面積和深度的方法，該方法解決了腐蝕監(jiān)測(cè)中微腐蝕監(jiān)測(cè)問題，對(duì)于腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要的意義。

楊青松等[13]詳細(xì)介紹艦船重點(diǎn)部位的腐蝕基本情況和腐蝕技術(shù)篩選，從腐蝕機(jī)理入手，采用電化學(xué)噪聲（ECN）技術(shù)和傳感器技術(shù)聯(lián)合方法，設(shè)計(jì)出三電極體系的新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以及時(shí)掌控艦船特殊部位腐蝕狀況，精確度很高，能最大限度地降低腐蝕事故的發(fā)生。

以上各種監(jiān)測(cè)方法都有其獨(dú)特的適用范圍，根據(jù)研究對(duì)象身處的具體環(huán)境和特殊位置，綜合應(yīng)用各種監(jiān)測(cè)手段才能達(dá)到真正的監(jiān)測(cè)目的[14]。因此，針對(duì)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，腐蝕位置隨機(jī)性較強(qiáng)的潛艇耐壓殼，借助先進(jìn)的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)耐壓殼進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)測(cè)腐蝕發(fā)展程度，可以極大程度地防止腐蝕帶來的各種事故。

1.3 存在的問題

主要是腐蝕數(shù)據(jù)處理問題。與耐壓殼腐蝕有關(guān)的環(huán)境因子多，時(shí)空跨度大，數(shù)據(jù)采集量大，隨機(jī)數(shù)據(jù)多，但目前腐蝕數(shù)據(jù)處理方式較為簡(jiǎn)單，無法滿足現(xiàn)今數(shù)據(jù)處理精確度要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的數(shù)據(jù)處理方法，在腐蝕監(jiān)測(cè)中積極探索新的數(shù)據(jù)，引進(jìn)和編寫功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)保證檢測(cè)結(jié)果的精確性具有十分重要的意義。

2 腐蝕缺陷對(duì)耐壓殼極限強(qiáng)度的影響

2.1 均勻腐蝕研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)研究中，對(duì)腐蝕影響的考慮大多集中在均勻腐蝕的假定上，即假定耐壓殼在全壽命期間，殼體厚度以某一形式的速率均勻減少，將腐蝕問題簡(jiǎn)化。隨著均勻腐蝕研究的不斷開展，從腐蝕試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，經(jīng)驗(yàn)性的線性腐蝕厚度模型不能準(zhǔn)確反映復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)際腐蝕狀態(tài)，部分學(xué)者提出采用指數(shù)函數(shù)形式的非線性均勻腐蝕厚度模型。

Guedes Soares與Garbatov[15]考慮了涂層耗盡至腐蝕開始的過渡階段，認(rèn)為由于板材腐蝕的產(chǎn)生，在板表面產(chǎn)生阻礙腐蝕進(jìn)程的氧化物，導(dǎo)致腐蝕到某一深度時(shí)會(huì)暫時(shí)中斷，清除氧化層才能重新啟動(dòng)腐蝕進(jìn)程，對(duì)此，提出腐蝕率計(jì)算公式：

Paik模型[16]延續(xù)了Guedes Soares模型[27]中假定在腐蝕防護(hù)失效后腐蝕立即開始的前提，將構(gòu)件腐蝕過程明確為無腐蝕和腐蝕2個(gè)階段。并將腐蝕開始后腐蝕層厚度記為時(shí)間的函數(shù)，即

其中：d為腐蝕層減少的厚度；t為使用時(shí)間；A和B均為系數(shù)；為腐蝕保護(hù)層壽命。

RE.Melchers[17]進(jìn)一步提出了“拓展 South well的模型”和指數(shù)模型，即

除此之外，曹楚南[18]提出形式較為簡(jiǎn)潔且具有一定精度的單參數(shù)冪函數(shù)模型，即

其中：C為平均腐蝕深度；t為暴露時(shí)間；A和n均為常數(shù)。n表征腐蝕的快慢，其值越大，表示腐蝕越快。

Kozliakov[19]通過對(duì)于大量船舶腐蝕損傷的研究，提出經(jīng)驗(yàn)公式：

魏東[20]在此基礎(chǔ)上，依據(jù)規(guī)范對(duì)不同結(jié)構(gòu)位置的腐蝕折減量，提出腐蝕后結(jié)構(gòu)的厚度為：

由于均勻腐蝕通常轉(zhuǎn)化成殼板厚度的線性減薄，數(shù)值仿真和理論分析較為簡(jiǎn)單，國內(nèi)外在此方面的研究較為成熟。

2.2 局部腐蝕研究現(xiàn)狀

由于局部腐蝕形式表現(xiàn)復(fù)雜，殼體厚度呈現(xiàn)不均勻，目前對(duì)局部腐蝕的評(píng)估還沒有統(tǒng)一確定的研究方法。國內(nèi)外對(duì)局部腐蝕的研究仍處于初步階段，相關(guān)評(píng)估分析開展還較少，學(xué)術(shù)界對(duì)局部腐蝕的研究對(duì)象主要集中在點(diǎn)腐蝕方面。點(diǎn)腐蝕作為局部腐蝕一種典型的腐蝕形式，受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并開展相應(yīng)的研究工作。

2.2.1 點(diǎn)腐蝕模型概況

目前研究點(diǎn)腐蝕大多根據(jù)點(diǎn)腐蝕產(chǎn)生的時(shí)間和腐蝕環(huán)境參數(shù)建立模型，常見的點(diǎn)蝕模型包括Paik線性模型、冪函數(shù)模型、最大點(diǎn)蝕深度的Weibull描述、Melchers多階段概率現(xiàn)象學(xué)模型等[21]。

Paik 線性模型[22]為

該模型考慮構(gòu)件腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的能力將構(gòu)件腐蝕過程分為無腐蝕階段和腐蝕階段。在工程中應(yīng)用較為便利，但是其理論存在一定的不足。

此基礎(chǔ)上，Paik等研究大量腐蝕檢測(cè)參考庫，提出三參數(shù)形式的冪函數(shù)模型[23]，即

最大點(diǎn)蝕深度的Weibull模型[24]為

Melchers多階段點(diǎn)蝕現(xiàn)象學(xué)模型[25]將點(diǎn)蝕的發(fā)展過程細(xì)分為5個(gè)階段，前2個(gè)階段用來描述微觀點(diǎn)蝕，后3個(gè)階段描述宏觀點(diǎn)蝕。但是該模型忽略了腐蝕保護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮的作用，與實(shí)際腐蝕情形存在一定的差異。

2.2.2 點(diǎn)腐蝕影響下極限強(qiáng)度折算公式

傳統(tǒng)意義上，處理點(diǎn)腐蝕對(duì)構(gòu)件影響一般采用等效轉(zhuǎn)化，如：等截面積損失、等強(qiáng)度損失等。不過，目前點(diǎn)蝕研究模型大多將點(diǎn)蝕坑尺寸、腐蝕要素作為重要的指標(biāo)來建立模型，考慮各因素的影響因子。

2013年，張巖等[26–27]通過系統(tǒng)研究認(rèn)為含點(diǎn)蝕損傷板殼的腐蝕體積對(duì)結(jié)構(gòu)極限剪切屈曲強(qiáng)度的影響較大，通過回歸分析計(jì)算，得出點(diǎn)蝕損傷下極限強(qiáng)度數(shù)學(xué)公式：

在此基礎(chǔ)上，2014年，孟凡磊[28]采用有限元計(jì)算探究板殼幾何因素和腐蝕因素對(duì)極限強(qiáng)度的影響，通過對(duì)大量工況進(jìn)行有限元計(jì)算，得出極限強(qiáng)度折減因子計(jì)算式（11）和式（12）：

2016年，杜晶晶等[29]通過大量仿真計(jì)算，得出腐蝕面積比和腐蝕深度比對(duì)極限強(qiáng)度折減影響不大，而板的柔度和腐蝕體積比對(duì)板的極限強(qiáng)度大致呈現(xiàn)二次和三次曲線的關(guān)系，并利用Matlab中的polyfity函數(shù)進(jìn)行擬合，得出：

2017年，滑林等[30]結(jié)合實(shí)船勘驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為板材強(qiáng)度影響的實(shí)質(zhì)是板材剛度的影響，將點(diǎn)蝕損傷板殼看作是沿長(zhǎng)度方向的變厚度板，通過幾何模型中各網(wǎng)格的等效厚度，推導(dǎo)得出，確定板殼損傷后的剛度為

因此，剛度縮減因子為

2.2.3 點(diǎn)腐蝕對(duì)耐壓殼極限強(qiáng)度影響研究

常見的點(diǎn)坑模型有圓錐模型、圓柱模型、球冠模型、矩形槽模型和半橢球模型[31]。大多數(shù)學(xué)者為了便于開展研究工作和考慮到蝕坑形態(tài)的簡(jiǎn)潔性，通常采取單一點(diǎn)坑模型建立力學(xué)模型[32–33]。實(shí)際上在研究點(diǎn)蝕損傷方面，由于海洋腐蝕的復(fù)雜性，點(diǎn)蝕坑的位置較為分散，且形態(tài)各異，用單一點(diǎn)坑模型來模擬存在一定的局限性。為了更好地處理點(diǎn)坑形態(tài)參數(shù)，韋麗金[34]提出點(diǎn)蝕投影面積法，該方法基于Murakami投影面積模型將形態(tài)各異的點(diǎn)蝕坑的垂直投影面積作為腐蝕損傷的特征量；Huang[35]和Jiang[36]則認(rèn)為損傷構(gòu)件的極限承載力不僅僅決定于腐蝕密度參數(shù)DOP，還與殼板厚度及點(diǎn)蝕深度有關(guān)；王仁華等[37]在此基礎(chǔ)上，引入殼厚損傷度，提出采用損傷體積損失來描述點(diǎn)蝕損傷強(qiáng)度DOPV。Daidora等[38]則提出用腐蝕坑數(shù)據(jù)的最大值和平均值或者用腐蝕坑的個(gè)數(shù)和坑的最大厚度來估計(jì)結(jié)構(gòu)腐蝕后的剩余厚度。張巖等[39]從實(shí)船船體腐蝕的檢測(cè)參數(shù)入手，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行分析，用2種方法將所有的檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合起來計(jì)算，得到一個(gè)腐蝕損傷參數(shù)，同時(shí)編制相應(yīng)的計(jì)算程序，結(jié)果表明此法得到的腐蝕體積與實(shí)際腐蝕體積的誤差滿足工程誤差。

在研究蝕坑幾何參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力影響方面，冀南[3]主要從單坑、多坑的分布，研究點(diǎn)蝕深度、半徑、形狀對(duì)耐壓殼極限強(qiáng)度的影響；除以上點(diǎn)蝕尺寸參數(shù)外，孫潔[51]還研究了在隨機(jī)點(diǎn)蝕分布情況下，點(diǎn)蝕參數(shù)（如壁厚損傷度、點(diǎn)蝕分散度）變化時(shí)，對(duì)構(gòu)件極限強(qiáng)度的影響；Yan Zhang等[40]則根據(jù)理論推導(dǎo)得出描述殼板極限承載力的定性表達(dá)式，再對(duì)照12種不同的參數(shù)比例，進(jìn)行有限元分析，得出在點(diǎn)坑分布方式和腐蝕體積不變的情況下，腐蝕坑的形狀對(duì)殼體極限承載力的影響幾乎相同，并提出了聯(lián)合載荷作用下點(diǎn)蝕損傷殼板的可靠性和危險(xiǎn)性的一種新型評(píng)估準(zhǔn)則。文章以定性表達(dá)的方式進(jìn)行參數(shù)評(píng)估，具有較強(qiáng)的說服力。

在處理腐蝕殼板的方式上，徐強(qiáng)等[41]將腐蝕區(qū)域分為腐蝕層和完好層，通過沿單元厚度方向腐蝕層和完好層的分段積分求解得到有限元表達(dá)格式，并以坑點(diǎn)腐蝕殼體單元為基礎(chǔ)開展算例分析，并與Ansys實(shí)體建模計(jì)算結(jié)果對(duì)比，證明了方法的可信性。同時(shí)，向楊君[42]也提出了相似的等效層合單元方法，并利用有限元中shell181和solid185層合單元進(jìn)行建模計(jì)算，建立了局部腐蝕等效彈性模量計(jì)算公式，大大降低了數(shù)值計(jì)算時(shí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模實(shí)施難度。

值得一提的是，冀南[3]將文獻(xiàn)[43]潛艇結(jié)構(gòu)基本理論和文獻(xiàn)[44]提出的海底管道受腐蝕缺陷下相關(guān)計(jì)算方法結(jié)合，對(duì)比分析環(huán)肋圓柱殼與管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力方式，通過理論假設(shè)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，推導(dǎo)出點(diǎn)蝕作用下環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度的計(jì)算公式，盡管該方法的最終結(jié)論偏于危險(xiǎn)，不過這種借鑒性的思路值得學(xué)習(xí)。

2.3 存在的問題

由于開展?jié)撏Цg方面的試驗(yàn)研究成本較高，難度較大，所以目前考慮含腐蝕缺陷的潛艇極限強(qiáng)度影響的相關(guān)研究?jī)H僅局限在理論分析和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法。

理論分析的一般方法是根據(jù)腐蝕類型進(jìn)行全部或者局部殼板厚度的定量減薄，再根據(jù)前人純腐蝕經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)單疊加，得出結(jié)論，對(duì)于耐壓殼結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷的位置、方向等差異引發(fā)的腐蝕處理方式的不同以及腐蝕和疲勞的耦合作用均缺乏綜合考慮，存在極大的局限性。

數(shù)值仿真對(duì)于點(diǎn)腐蝕模型的建立，一般為簡(jiǎn)單點(diǎn)蝕模型，考慮單一點(diǎn)蝕深度指標(biāo)，對(duì)于截面積、點(diǎn)坑形狀的反映還很局限，缺少較為規(guī)范的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或者潛艇腐蝕數(shù)據(jù)庫支撐，存在不盡合理之處。

此外，鮮有文獻(xiàn)涉及對(duì)潛艇耐壓殼肋骨腐蝕損傷的研究，大多考慮圓柱殼體的受腐蝕問題，對(duì)于全面研究受腐蝕損傷的耐壓殼極限強(qiáng)度相當(dāng)片面，相對(duì)應(yīng)的腐蝕理論還需要不斷完善。

3 研究展望

從上述文獻(xiàn)不難看出，當(dāng)前耐壓殼腐蝕缺陷的研究領(lǐng)域，逐步從線性的均勻腐蝕向參數(shù)指標(biāo)復(fù)雜的點(diǎn)腐蝕方向發(fā)展。根據(jù)前述研究的有待改進(jìn)之處，今后的研究方向大致如下：

1）考慮到當(dāng)前描述點(diǎn)腐蝕的模型說服力不強(qiáng)，缺乏較為詳盡的完整點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，今后的研究發(fā)展方向應(yīng)從建立健全描述潛艇耐壓殼點(diǎn)坑腐蝕特性的規(guī)范數(shù)據(jù)庫入手，逐步發(fā)展出與耐壓殼實(shí)際相吻合的點(diǎn)蝕模型。其中，規(guī)范數(shù)據(jù)庫應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求：①在實(shí)艇勘驗(yàn)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)覆蓋面廣，包括材料基本數(shù)據(jù)、腐蝕數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等；②入庫數(shù)據(jù)必須來源清楚，做到數(shù)據(jù)提供者自身，多專家評(píng)審、討論，方可入庫；③數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、名詞術(shù)語、材料名稱代號(hào)、計(jì)量單位實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一化，便于計(jì)算機(jī)的識(shí)別處理和國內(nèi)外廣泛交流。

2）潛艇在復(fù)雜海水環(huán)境下長(zhǎng)期服役受到腐蝕損傷的同時(shí)，頻繁性的上浮下潛造成的結(jié)構(gòu)疲勞損傷也是不可忽略的要素，單純研究含腐蝕缺陷的耐壓殼極限強(qiáng)度局限性較強(qiáng)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮腐蝕和疲勞的耦合作用。

3）對(duì)于海洋鋼結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)與檢測(cè)是掌握腐蝕狀態(tài)的關(guān)鍵手段。如何檢測(cè)出腐蝕狀況則是解決潛艇結(jié)構(gòu)腐蝕的首要問題。只有掌握腐蝕規(guī)律，準(zhǔn)確、快速、非破壞性的檢測(cè)出潛艇的腐蝕狀況，研究基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的深海腐蝕檢測(cè)新手段，逐步完善與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的數(shù)學(xué)方法運(yùn)用于腐蝕監(jiān)測(cè)，才能夠大大提高腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率，從而便于人們采取相應(yīng)的防護(hù)措施，保證裝備和人員的安全。