風(fēng)電場塔筒螺栓腐蝕分析

李巖，房海峰，孫作峰，何梓洋，陳有為，王玉飛

（1.深圳國能宸泰科技有限公司，廣東 深圳 518000； 2.中廣核射陽風(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224000）

某沿海風(fēng)電場塔筒運行6年零4個月，其風(fēng)機組螺栓銹蝕嚴重，基礎(chǔ)混凝土開裂，有滲水的風(fēng)險，長此下去勢必會降低風(fēng)機的壽命，對風(fēng)機的安全運行造成威脅。塔筒的螺栓型號為EN14399-4，性能等級為10.9級，產(chǎn)品規(guī)格為M36-155和M39-160。42CrNiMo中碳鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有較好的耐熱性、彈性、強韌性和淬透性，被廣泛應(yīng)用于重要機械零部件的制造中，也成為用于螺栓的鋼材。海上作業(yè)環(huán)境惡劣，為了保證螺栓的耐蝕性能，需要對螺栓進行鋅鉻膜涂層處理，即達克羅處理。

為避免螺栓表面大面積腐蝕，尋找風(fēng)機螺栓在海上作業(yè)的腐蝕原因，文中對送檢螺栓進行了取樣、實驗分析。通過宏觀分析、化學(xué)成分分析、金相分析和沖擊性能測試、拉伸性能測試、硬度測試等方法對螺栓腐蝕進行了分析。

1 取樣螺栓腐蝕形貌

共取25套螺栓副用于實驗室檢測，其中包括腐蝕較嚴重的M36-155螺栓副8套，編號依次為M36-1— M36-8；腐蝕較嚴重的M39-160螺栓副8套，編號依次為M39-1—M39-8；腐蝕較輕的M36-155螺栓副3套，編號依次為M36-9—M36-11；新采購的M36-155螺栓副3套，編號依次為M36-Ⅰ—M36-Ⅲ；新采購的M39-160螺栓副3套，編號依次為M39-Ⅰ—M39-Ⅲ； 樣品如圖1所示。

圖1 樣品編號 Fig.1 Sample number chart

風(fēng)機現(xiàn)場取樣的高強螺栓宏觀腐蝕形貌如圖2所示，前期的螺栓、螺母、墊圈上均有涂層，經(jīng)過現(xiàn)場使用后，螺母表面涂層大面積起皮、脫落，裸露金屬受到腐蝕，表現(xiàn)為紅褐色和黃色，嚴重的會出現(xiàn)金屬腐蝕疏松，氧化皮層層脫落；墊片同樣發(fā)生較嚴重的腐蝕，且墊片邊緣的腐蝕程度較中部嚴重，部分墊圈邊緣腐蝕脫落；相比螺母和墊圈，螺栓的螺桿部位腐蝕程度較輕，個別螺栓在靠近上螺母部位的螺紋存在較輕的腐蝕情況。

圖2 高強螺栓宏觀腐蝕形貌 Fig.2 Macroscopic corrosion morphology of high-strength bolts: a) corrosion morphology of the upper part of the bolt; b) corrosion morphology of the bottom part of the bolt; c) the first macroscopic corrosion morphology of the bolts; d) the second macroscopic corrosion morphology of the bolts

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 螺栓成分分析

分別在每組樣品的螺桿、螺母和墊圈上取樣，用全譜直讀光譜儀對其化學(xué)成分進行分析。檢測位置為樣品的中間部位，每個樣品檢測三點并取平均值，以保證成分的準確性，實驗結(jié)果見表1。檢測結(jié)果表明，M39螺栓使用后，Mn元素含量稍高于標準值，通過后續(xù)性能檢測結(jié)果來看，稍高的錳含量并未影響其基本力學(xué)性能，可能是由于成分偏析、取樣等其他外部因素導(dǎo)致的。其余試樣使用前后的螺栓、螺母、墊圈材料的成分符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》和GB/T 3098.2—2000《緊固件機械性能螺母、粗牙螺紋》規(guī)定，成分合格。

表1 螺栓的化學(xué)成分和標準要求 Tab.1 The chemical composition and standard requirements of the bolts %

2.2 拉伸性能試驗

在各試樣螺栓螺桿的桿部，選取5 mm的縱向圓棒試樣3根，在室溫下使用萬能實驗機進行拉伸實驗，結(jié)果見表2。螺栓的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率都滿足GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》規(guī)定，螺栓的拉伸性能合格。

表2 螺栓拉伸性能試驗結(jié)果 Tab.2 Bolt tensile performance test results

2.3 沖擊性能試驗

從送檢的螺栓桿部取10 mm×10 mm×10 mm的V型缺口試樣3根，螺栓低溫沖擊性能試驗結(jié)果見表3。根據(jù)GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》規(guī)定，試驗溫度為?20 ℃?？紤]到國內(nèi)類似風(fēng)電法蘭緊固件螺栓的通行檢測標準和使用，本實驗選擇實驗溫度為?40 ℃，且合格標準的沖擊功不變（≥27 J）。從測試結(jié)果來看，M39-4螺栓使用過后的實測沖擊韌性較低，但考慮到螺栓的已使用年限以及沖擊試驗結(jié)果具有一定的離散性，并且M39-4螺栓沖擊功的平均值大于標準規(guī)定值，可以認為螺栓的沖擊韌性合格。整體上來說，各螺栓副滿足GB/T 3098.1— 2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》的要求。

表3 螺栓沖擊性能試驗結(jié)果 Tab.3 Bolt impact performance test results

2.4 硬度試驗

取螺栓、螺母、墊圈樣品分別進行硬度檢驗，在每個試樣表面隨機選取三個點進行硬度測試。螺栓副的硬度試驗結(jié)果見表4，其中螺栓的洛氏硬度HCR符合標準GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求，硬度合格。螺母的維氏硬度HV30較標GB/T 3098.2—2000《緊固件機械性能 螺母、粗牙螺紋》偏低。墊圈的洛氏硬度HRC符合GB/T 1231—2006 《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓、大六角頭螺母、墊圈技術(shù)條件》要求。

表4 螺栓副硬度試驗結(jié)果 Tab.4 Bolt pair hardness test results

2.5 金相組織分析

按照取樣方案，分別對使用前后的M36和M39兩種規(guī)格的螺栓、螺母、墊圈進行微觀組織分析。

使用前后，M36和M39螺栓副經(jīng)研磨拋光后，用硝酸酒精溶液腐蝕，其金相組織如圖3—5所示，參照GB/T 13320《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法》評定金相組織的等級。對比圖3 a—c可以得出，未使用螺栓的金相組織為回火索氏體組織，金相組織為1級；對比圖3b、3d可以得出，使用后螺栓的金相組織為回火索氏體+鐵素體，金相組織評級為3級；對比圖4、圖5可以看出，使用前后螺母、墊圈的金相組織為回火索氏體+條塊狀鐵素體，金相評級為4級。

圖3 螺栓使用前后金相組織 Fig.3 Metallographic organization of bolts before and after use: a) metallographic organization of M36 bolts before use; b) metallographic organization of M36 bolts after use; c) metallographic organization of M39 bolts before use; d) metallographic organization of M39 bolts after use

圖4 螺母使用前后金相組織 Fig.4 Metallographic organization of nuts before and after use: a) metallographic organization of M36 nuts before use; b) metallographic organization of M36 nuts after use; c) metallographic organization of M39 nuts before use; d) metallographic organization of M39 nuts after use

圖5 墊圈使用前后金相組織 Fig.5 Metallographic organization of gaskets before and after use: a) metallographic organization of M36 gaskets before use; b) metallographic organization of M36 gaskets after use; c) metallographic organization of M39 gaskets before use; d) metallographic organization of M39 gaskets after use

根據(jù)GB/T 13320規(guī)定，1～4級金相組織為合格。

2.6 晶粒度檢測

試樣研磨拋光后，用過飽和苦味酸+酒精+洗滌液腐蝕，M36和M39螺栓使用前后的金相組織如圖6所示。根據(jù)GB/T 66394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對金相組織進行晶粒度評級，使用前M36螺栓的平均晶粒度為7.0～7.5級；使用后M36螺栓的平均晶粒度為7.5～8.0級；使用前M39螺栓的平均晶粒度為7.5～8.0級；使用后M39螺栓的平均晶粒度為8.0級。

圖6 螺栓副使用前后金相組織 Fig.6 Metallographic organization of bolts before and after use: a) metallographic organization of M36 bolts before use; b) metallographic organization of M36 bolts after use; c) metallographic organization of M39 bolts before use; d) metallographic organization of M39 bolts after use

2.7 非金屬夾雜物分析

螺栓使用前后，縱截面的金相組織如圖7、圖8所示，可見基體中分布著點狀和線狀的非金屬夾雜物。根據(jù)GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》規(guī)定，對使用前后M36和M39螺栓組織中的非金屬夾雜物進行評級，發(fā)現(xiàn)M39螺栓的夾雜物含量普遍多于M36螺栓的夾雜物含量，具體評級結(jié)果下。

圖7 M36螺栓使用前金相組織 Fig.7 Metallographic organization of M36 bolts before use: a) metallographic organization of M36 bolts before use; b) energy spectrum of impurities in M36 bolt; c) metallographic organization of M36 bolts after use; d) energy spectrum of impurities in M36 bolt

圖8 螺栓使用后金相組織 Fig.8 Metallographic organization of M39 bolts after use: a) metallographic organization of M39 bolts before use; b) energy spectrum of impurities in M39 bolt; c) metallographic organization of M39 bolts after use; d) energy spectrum of impurities in M39 bolt

1）使用前螺栓。

M36：D類（球狀氧化物）細系3級；

M39：D類（球狀氧化物）細系1.5級，粗系2.5級；DS類（單顆粒球狀物）2.5級。

2）使用后螺栓。

M36：D類（球狀氧化物）細系3級。

M39：A類（硫化物）細系1.5級；D類（球狀氧化物）細系2級；DS類（單顆粒球狀物）1.5～2.0級。

2.8 銹蝕產(chǎn)物分析

為了更好地探究螺栓表面影響腐蝕發(fā)生的因素，對螺栓截面進行了腐蝕產(chǎn)物分析。如圖9所示，鉻元素集中分布在腐蝕產(chǎn)物中，有利于形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的銹層。該螺栓組應(yīng)用于海洋環(huán)境，空氣潮濕且富含大量的氯離子，因此，在銹蝕產(chǎn)物中可以檢測到大量的氯元素，氯元素分布在整個基體表面甚至臨近的基體內(nèi)?？梢哉J為，氯離子的出現(xiàn)增加了向基體內(nèi)部發(fā)生大量腐蝕的風(fēng)險，進而促進了腐蝕的發(fā)生，是螺栓副大面積腐蝕的主要原因。在P點處，螺栓截面的氯質(zhì)量分數(shù)為1.88%，鉻質(zhì)量分數(shù)為0.19%。

3 綜合分析

通過對比分析使用前后螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能（抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、斷面收縮率）、低溫沖擊性能、硬度、微觀組織（金相、夾雜物、晶粒度）等，可以判定使用后已發(fā)生腐蝕的螺栓副是否安全，能否繼續(xù)滿足使用需求。

通過對使用前后螺栓副的化學(xué)成分測試結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)使用前M36和M39兩種螺栓、螺母、墊圈的成分均符合標準要求；使用后M36的螺栓、螺母、墊圈成分符合標準要求；使用后M39的螺母、墊圈成分符合標準要求，但螺栓中的Mn元素質(zhì)量分 數(shù)（0.87%）稍高于標準值（0.5%～0.8%）。錳元素在鋼材中的作用主要表現(xiàn)為：可以有效提高材料的強度、淬透性，并通過和夾雜的硫元素結(jié)合，減少硫元素對鋼材產(chǎn)生的熱脆性。但錳含量增加到一定程度后，會促使晶粒長大，降低材料的塑性和韌性，并增加第二類回火脆性的傾向。綜合考慮錳元素的優(yōu)缺點，我國把42CrMo的錳元素含量定在0.5%～0.8%；美國ASTM A193/A193M-15a中把錳元素含量定為0.65%～1.1%，因為錳含量的增加對提高淬透性有積極作用。此外，從力學(xué)性能和金相組織的測試結(jié)果來看，并沒有因為錳元素含量的偏高而出現(xiàn)異常。因此，即使錳元素質(zhì)量分數(shù)為0.87%，超過了我國的標準，但仍在可接受范圍內(nèi)。

使用前后螺栓副的力學(xué)性能測試結(jié)果表明，使用前后的M36和M39兩種螺栓的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、斷面收縮率、低溫沖擊韌性均符合標準要求。硬度試驗結(jié)果表明，螺栓、墊圈硬度符合標準要求，但螺母硬度較標準值偏低。因為在設(shè)計緊固件螺栓副時，螺栓的硬度一般都略高于螺母硬度。大多數(shù)情況下，螺栓的加工、更換難度和成本大于螺母，所以適當降低螺母的強度，讓損壞盡量發(fā)生在螺母部分。如：GB150.2《壓力容器第2部分：材料》中規(guī)定“調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用的螺母用鋼，其回火溫度應(yīng)高于組合使用的螺柱用鋼的回火溫度”。材料在淬火后回火溫度越高，其硬度和強度應(yīng)越低。因此，本測試結(jié)果螺母硬度稍低于標準值對螺栓副的性能影響不大，可以接受。

使用前后螺栓副的金相組織測試結(jié)果表明，使用前螺栓的金相組織為1級回火索氏體組織，使用后螺栓的金相組織為3級回火索氏體+鐵素體組織；使用前后，螺母、墊圈的金相組織為回火索氏體+條塊狀鐵素體，金相評級為4級[1]。根據(jù)GB/T 13320規(guī)定：除非供需雙方特殊約定，1～4級金相組織為合格。對使用前后M36和M39螺栓組織中的非金屬夾雜物進行評級，結(jié)果如下：使用前M36螺栓中D類（球狀氧化物）夾雜物為細系3級；使用前M39螺栓中D類（球狀氧化物）夾雜物為細系1.5級，粗系2.5級，DS類（單顆粒球狀物）夾雜物2.5級；使用后M36螺栓中D類（球狀氧化物）夾雜物為細系3級；使用后M39螺栓中A類（硫化物）夾雜物為細系1.5級，D類（球狀氧化物）夾雜物為細系2級，DS類（單顆粒球狀物）夾雜物為1.5-2.0級[2]。通常來說，對于高強度緊固件材料，一般要求球狀氧化物夾雜物（D類）控制在2級以內(nèi)。實際使用的螺栓中，D類球狀氧化物夾雜偏高，會影響螺栓基體本身的耐腐蝕性能[3]。通過對螺栓截面銹層的成分分析，認為在海洋環(huán)境下，氯離子滲入整個銹層和表層基體，是造成腐蝕發(fā)生的原因[4]。

綜上分析，雖然使用后的螺母、墊圈和螺栓端部發(fā)生了不同程度的腐蝕，但通過相關(guān)測試分析發(fā)現(xiàn)，盡管螺栓副腐蝕較嚴重，但各項性能指標合格，不影響使用的安全性[5-6]。

通過分析使用后螺栓副的腐蝕狀態(tài)，并結(jié)合風(fēng)電的自然環(huán)境狀況，找出導(dǎo)致腐蝕發(fā)生的主要原因。分析如下。

達克羅（dacrotized）又稱鋅鉻膜涂層，將水基鋅鉻涂料進行刷涂、浸涂或噴涂于零件或構(gòu)件表面，通過烘烤，在鋼鐵表面形成鱗片狀鋅和鋅的鉻酸鹽，形成均勻的無機涂層，以達到防腐耐蝕的效果[7]。達克羅涂層的制作作為一種高新技術(shù)和生產(chǎn)工藝，在國際上被譽為是具有劃時代意義的表面處理行業(yè)新工藝，在國內(nèi)仍處于起步階段。達克羅涂層保護基體的原理為：電化學(xué)犧牲陽極保護，即將存在兩種電極電位差的金屬視為陰陽極，形成內(nèi)部電池。鍍鋅涂層作為陽極，在反應(yīng)中逐漸被消耗，進而保護作為陰極的結(jié)構(gòu)金屬[7]。達克羅涂層由Zn/Al粉末和鉻酸鹽復(fù)合而成，厚度為200 nm左右，直徑小于20 μm，由數(shù)十層超細鱗片狀結(jié)構(gòu)組成，通過這種片狀超細金屬粉末的相互重疊來隔絕腐蝕介質(zhì)，以減少腐蝕的發(fā)生[8-9]。

同樣，通過電化學(xué)方法起到犧牲陽極保護作用的傳統(tǒng)鍍鋅層中，電鍍鋅作為單層金屬鋅，腐蝕路線很短。而達克羅涂層重疊疊加的極薄鱗片鋅、鋁和鉻酸鹽層，大大提高了腐蝕線路的復(fù)雜性[10]。有研究表明，鉻酸在腐蝕過程中要對每片鱗片鋅進行鈍化包裹，因此，同樣厚度的達克羅涂層比傳統(tǒng)鍍鋅層的腐蝕路線曲折延長很多[11]。達克羅涂層和電鍍鋅鈍化層的極化曲線如圖10所示，相比較電鍍鋅，達克羅涂層的自然腐蝕電位升高，說明其真實極化曲線高于鍍鋅層的真實極化曲線[12-13]。曲線越陡，極化度越大，電極過程中受阻滯的程度越大。綜上，達克羅涂層的抗腐蝕性能明顯大于鍍鋅鈍化膜的抗腐蝕性能[14]。

圖10 達克羅涂層與電鍍鋅鈍化涂層的陽極極化曲線 Fig.10 Anode polarization curve of Dacromet coating and electro-galvanized passivation coating

達克羅作為一種新型的表面處理方法，具有如下優(yōu)點：1）極高的耐腐蝕性能。經(jīng)達克羅工藝處理的標準件和管接件可在耐鹽霧試驗中保持1200 h以上，不出現(xiàn)紅銹。2）無氫脆性。適合在結(jié)構(gòu)件表面的涂覆[15]。3）高耐熱性。耐熱溫度可達300 ℃以上[16]。4）表面良好的結(jié)合性及再涂性能。處理后的零件易于進行噴涂著色，與有機涂層的結(jié)合能力甚至超過磷化膜。5）良好的滲透性。

達克羅涂層也有一定的局限性：1）達克羅中含有對環(huán)境和人體有害的鉻離子，六價鉻離子具有致癌作用，不利于環(huán)保。2）達克羅的燒結(jié)溫度高、時間長、能耗大，制作成本高。3）達克羅表面非常容易出現(xiàn)劃痕和磕痕，耐磨性較差。4）導(dǎo)電性能不佳，不適合用于導(dǎo)電連接的部件，如接地螺栓等。與此同時，達克羅涂層的產(chǎn)品不適合與銅、鎂、鎳和不銹鋼的零部件接觸與連接，因為會產(chǎn)生接觸性腐蝕，影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量及防腐性能。因此，達克羅涂層的使用具有局限性[17]。

帶有鹽分的腐蝕介質(zhì)在法蘭及螺栓上聚集，防腐涂層很容易由于外力（運輸、安裝、維護等）的作用發(fā)生局部破損，腐蝕性介質(zhì)穿過防腐涂層直接與法蘭金屬的基體接觸，發(fā)生電化學(xué)腐蝕[18]。此外，法蘭處設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很容易在法蘭、螺母、螺栓、墊圈等位置形成縫隙；在含有溶解氧、帶鹽分的溶液小環(huán)境中，形成良好的縫隙腐蝕條件；腐蝕產(chǎn)物的聚集及局部縫隙內(nèi)外的環(huán)境差異（縫隙內(nèi)外存在氧濃度差，金屬離子水解，溶液酸化，溶液pH值下降等）[19,20]，進一步加快了腐蝕速度，促進了腐蝕的進一步發(fā)展。

4 結(jié)論和建議

1）在役的螺栓滿足現(xiàn)階段的安全使用要求，但螺栓在實際包裝、運輸、安裝、校核過程中會對表層達克羅涂層產(chǎn)生不同程度地損壞，降低涂層防腐效果；在惡劣的自然環(huán)境綜合作用下，螺栓會發(fā)生電化學(xué)腐蝕和縫隙腐蝕。

2）采購新螺栓時，要嚴格控制產(chǎn)品質(zhì)量，向螺栓生產(chǎn)廠家索取螺栓熱處理狀態(tài)及各項相關(guān)性能測試報告，并委托第三方復(fù)驗其基本性能，全面檢驗螺栓性能是否滿足標準要求；在螺栓服役過程中，要使用潤滑劑，對螺栓提供防腐防銹蝕保護。

3）螺栓副經(jīng)受海風(fēng)、日曬、積水、海鹽等綜合作用，很容易產(chǎn)生腐蝕問題，需要對螺栓副的腐蝕問題重點關(guān)注；僅僅依靠涂漆很難滿足風(fēng)機設(shè)計壽命內(nèi)的安全服役，需要對其進行特殊保護（如防銹劑+螺栓帽保護等）。