水工鋼閘門局部腐蝕演化特征分析

蔡一平，楊良澤，許旭東，袁周致遠(yuǎn)，吉伯海

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210017；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098）

1 概 述

水工鋼閘門是水利水電工程中用于調(diào)節(jié)水位的一種鋼結(jié)構(gòu)，常設(shè)置于水利樞紐系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，是水工建筑物的重要組成部分之一，主要用于控制上下游水位，以達(dá)到除沙排污、防洪灌溉、引水發(fā)電和交通航運(yùn)的目的［1］。在實(shí)際運(yùn)行過程中，干濕交替和水流沖刷等自然條件的長(zhǎng)期作用會(huì)使該結(jié)構(gòu)難以避免地發(fā)生腐蝕病害，直接影響閘門的承載能力和使用性能。水工鋼閘門的腐蝕形態(tài)從影響范圍上可分為均勻腐蝕和局部腐蝕，均勻腐蝕在日常的檢測(cè)中能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而局部腐蝕往往更具有突然性和破壞性［2］。針對(duì)水工鋼閘門的局部腐蝕病害，相關(guān)學(xué)者主要根據(jù)平均蝕余厚度法，采用有限元技術(shù)對(duì)腐蝕深度進(jìn)行簡(jiǎn)化，可有效評(píng)估腐蝕程度較小的鋼閘門的靜力性能［3］。對(duì)于腐蝕嚴(yán)重的情況，可改變局部單元厚度或設(shè)置規(guī)則孔洞模擬實(shí)際的深度變化［4］。此外，在對(duì)水工鋼閘門進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，局部腐蝕常被包括在腐蝕因素中，作為一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)影響最終的判斷結(jié)果。

局部腐蝕包括點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕和腐蝕疲勞等，其中點(diǎn)蝕較復(fù)雜且具有代表性，是腐蝕模型的主要研究對(duì)象。針對(duì)點(diǎn)蝕損傷的演化問題，陳子光［5］提出了多種新型的模擬方法，主要有元胞自動(dòng)機(jī)技術(shù)、相場(chǎng)模型和近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬。其中，元胞自動(dòng)機(jī)技術(shù)［6］不僅可以再現(xiàn)基本的物理化學(xué)過程，直觀地觀察到蝕坑演化，還能考慮溫度、離子濃度等變量，定性分析環(huán)境因素對(duì)腐蝕進(jìn)程的影響規(guī)律。相關(guān)研究有：以氯離子為代表的腐蝕性物質(zhì)對(duì)金屬材料表面氧化膜的穿透破壞作用［7-8］，控制其他因素不變時(shí)環(huán)境溫度對(duì)金屬腐蝕行為的影響［9-10］；腐蝕坑洞形狀的非規(guī)則特征研究［11-13］，主要分析了腐蝕過程中蝕坑等效半徑和模擬深度的比值，提出了如深度比、尺寸比等變化參數(shù)，同時(shí)引入了腐蝕速率等條件參數(shù)，綜合探究蝕坑在不同環(huán)境下的反應(yīng)過程和擴(kuò)展情況。

本文通過實(shí)地病害檢測(cè)對(duì)水工鋼閘門的腐蝕發(fā)展特征進(jìn)行總結(jié)闡述，采用中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)對(duì)局部腐蝕表觀特征進(jìn)行探究，同時(shí)，基于腐蝕特征建立元胞自動(dòng)機(jī)模型，對(duì)局部腐蝕坑洞的演化過程進(jìn)行模擬分析，通過模型參數(shù)的設(shè)定調(diào)整仿真結(jié)果，并將其與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證該模型的合理性。

2 基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的鋼閘門腐蝕特征

鋼閘門所處環(huán)境極其復(fù)雜，誘發(fā)腐蝕的因素也較為復(fù)雜。通過對(duì)多扇鋼閘門進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)病害檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同門體的發(fā)展特征、局部特征和腐蝕速率在時(shí)間和空間上的變化有諸多相似之處。檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)腐蝕程度較輕的閘門在不同位置會(huì)出現(xiàn)涂層起泡的現(xiàn)象，此病害可能是因?yàn)榻饘倩w表面處理不到位，留有少量殘余物，后期殘留物揮發(fā)時(shí)就會(huì)導(dǎo)致起泡。此外，若底漆未完全干燥就涂飾面漆，或涂飾過程中沒有消除氣泡，均會(huì)導(dǎo)致涂層起泡。鋼閘門面板水位線附近是腐蝕病害較為常見的發(fā)生部位，由于大氣、液體和鋼構(gòu)件表面在此處相交，導(dǎo)致該部位的腐蝕程度在病害發(fā)展初期要高于閘門面板的浸水區(qū)和裸露區(qū)。但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，其腐蝕速率會(huì)呈現(xiàn)變慢的趨勢(shì)。閘門腐蝕中期，部分涂層會(huì)因?yàn)樽贤饩€的照射或液體的浸泡而發(fā)生不均勻的顏色變化，還可能成泡破裂，導(dǎo)致涂層失效剝落。由于涂層失效，金屬基體失去了外部保護(hù)，導(dǎo)致腐蝕速率加快，腐蝕坑洞迅速發(fā)展。如果在腐蝕中期沒有相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)養(yǎng)護(hù)措施，任由腐蝕發(fā)展惡化，則會(huì)導(dǎo)致鋼閘門的全面腐蝕，嚴(yán)重部位會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕穿透或厚度大面積削減的現(xiàn)象。

3 基于鹽霧試驗(yàn)的局部腐蝕特征

為進(jìn)一步觀察鋼閘門材料腐蝕坑洞的形貌特征，設(shè)計(jì)中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)對(duì)鍍鋅鋼板進(jìn)行為期24 d的試驗(yàn)觀察。鋼板尺寸為150 mm×100 mm×6 mm，材質(zhì)為Q235B，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》獲取其主要化學(xué)成分。

當(dāng)腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行到12 d時(shí)，表面坑洞較小且數(shù)量少，坑洞發(fā)育程度較輕，而腐蝕到24 d時(shí)，點(diǎn)蝕坑的數(shù)量并未過多增長(zhǎng)，但坑洞內(nèi)部溶液和鹽霧混合分布在鋼材表面，表明腐蝕程度逐步加劇。鍍鋅保護(hù)層表面點(diǎn)蝕坑分布較密，且坑洞會(huì)逐步擴(kuò)展，這可能是因?yàn)殇\層在加工時(shí)表層厚度存在雜質(zhì)或厚度不均勻?qū)е碌?，并且可以觀察到運(yùn)輸過程中產(chǎn)生了部分劃痕。為進(jìn)一步觀察點(diǎn)蝕坑的形貌，采用顯微鏡觀察試驗(yàn)24 d 后的試件腐蝕坑洞狀態(tài)。相同尺度下，鍍鋅層表面蝕坑較大，并且與周圍較小的蝕坑相互附著，在深度上也發(fā)展較快。此外，鍍鋅層坑洞附近滿布銹蝕溶液，表明基體發(fā)生銹蝕反應(yīng)，銹蝕產(chǎn)物會(huì)隨著液體流出孔洞，并不會(huì)覆蓋在點(diǎn)蝕坑表面，所以不會(huì)抑制孔洞在深度方向上的進(jìn)一步腐蝕。然而，銹蝕溶液流出后附著在基體表面，會(huì)成為簡(jiǎn)易保護(hù)層影響點(diǎn)蝕坑在寬度方向上的擴(kuò)展。通過進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，鍍鋅層蝕坑附近會(huì)產(chǎn)生新的點(diǎn)蝕坑洞，但蝕坑深度會(huì)相對(duì)較淺，腐蝕速率緩慢。

4 元胞自動(dòng)機(jī)局部腐蝕模型

4.1 物理模型

對(duì)于局部腐蝕而言，主要作用因素是水中的氯離子，其半徑較小，容易擊破金屬氧化物形成的鈍化膜而接觸到金屬基體，從而誘發(fā)點(diǎn)蝕，并逐漸形成了腐蝕坑洞。在蝕坑內(nèi)溶解的金屬離子不易向外擴(kuò)散，造成過多的正電荷積累。為維持孔內(nèi)的電中性，更多的氯離子進(jìn)入蝕孔內(nèi)形成氯化物，而氯化物將發(fā)生水解生成金屬氫氧化物和自由酸。因此，孔內(nèi)產(chǎn)生了氫離子，蝕孔底部的酸性增加，進(jìn)一步加速陽極反應(yīng)。在水工鋼閘門淺水富氧區(qū)，溶液介質(zhì)仍保持中性，使得孔外金屬作為陰極發(fā)生氧化反應(yīng)。此外，二次腐蝕產(chǎn)物在孔口形成氫氧化亞鐵，并進(jìn)一步氧化成氫氧化鐵，覆蓋在孔口，導(dǎo)致孔內(nèi)介質(zhì)呈相對(duì)滯留狀態(tài)，溶解氧難以進(jìn)入，形成氧濃差電池。

4.2 元胞空間

基于試驗(yàn)條件和自然環(huán)境下的腐蝕特征，將鋼材、鹽溶液和涂層等元素構(gòu)成的系統(tǒng)定義為一個(gè)二維空間，模擬鋼閘門表面與水溶液接觸發(fā)生的腐蝕演化過程，如圖1 所示。為方便模型的構(gòu)建和計(jì)算結(jié)果的可視化，將元胞空間離散成四邊形網(wǎng)格，將金屬基體的左右側(cè)邊界設(shè)定為固定型，水溶液的左右側(cè)邊界設(shè)定為周期型邊界，金屬基體底部和水體頂部邊界設(shè)定為反射型。完整的元胞空間如圖2所示，鄰居類型使用Moor型，即考慮上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8個(gè)元胞為鄰居。

圖1 簡(jiǎn)化模型示意

圖2 元胞空間示意

元胞自動(dòng)機(jī)的模擬過程是較為理想化的，特此對(duì)該模型提出如下基本假設(shè)條件：模型的演化程序基于物理模型中的電化學(xué)反應(yīng)過程，腐蝕行為依靠腐蝕性溶質(zhì)的擴(kuò)展和轉(zhuǎn)化進(jìn)行，1 個(gè)格位在任意時(shí)刻只能存在1 種元胞；腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生堆積影響反應(yīng)的進(jìn)行，也會(huì)一定概率溶解成中性物質(zhì)。

根據(jù)鹽霧試驗(yàn)結(jié)果可知，帶有保護(hù)層的金屬的腐蝕行為初期表現(xiàn)為點(diǎn)蝕，逐步發(fā)展為腐蝕坑洞，如圖3所示。依據(jù)該腐蝕特征建立元胞自動(dòng)機(jī)模型A，主要展示腐蝕表面，但腐蝕坑洞主要沿深度方向擴(kuò)展，所以進(jìn)一步建立局部腐蝕剖面模型B，研究單個(gè)坑洞的發(fā)育過程和其中的電化學(xué)腐蝕特征，如圖4所示。

圖3 腐蝕模型示意

4.3 演化規(guī)則

在元胞自動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，針對(duì)不同的工況，會(huì)有不同的元胞參與演化，需要通過演化規(guī)則調(diào)控每個(gè)位置上元胞的變化狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)元胞系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。因此，在相對(duì)固定的元胞空間內(nèi)，不同類型的元胞在不同階段的占比會(huì)隨著各自狀態(tài)和位置的改變而產(chǎn)生顯著差異，這其中就涉及元胞的轉(zhuǎn)化和擴(kuò)散行為。

在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，元胞可以隨機(jī)選擇8 個(gè)鄰居元胞中的任意1個(gè)，主要有以下3種情況：若被選擇的元胞與之能夠發(fā)生反應(yīng)，則兩者以其設(shè)定概率發(fā)生轉(zhuǎn)化；若被選擇的元胞與之不能發(fā)生反應(yīng)且能發(fā)生移動(dòng)，則位置互換；若被選擇的元胞與之不能發(fā)生反應(yīng)且不能發(fā)生移動(dòng)，則位置不變。

4.4 模型參數(shù)研究

4.4.1 腐蝕反應(yīng)概率P1

與均勻腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)不同的是，局部腐蝕的陰、陽極反應(yīng)過程分別在孔洞內(nèi)外，孔內(nèi)為陽極反應(yīng)，孔外為陰極反應(yīng)，坑洞形成閉塞區(qū)。由此可知，坑洞內(nèi)部產(chǎn)生陽離子，而腐蝕性溶質(zhì)主要為陰離子，為滿足坑內(nèi)的電離平衡，陰離子往孔內(nèi)聚集，從而促進(jìn)了腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。因此，確定陽極腐蝕反應(yīng)概率P1是仿真模型的關(guān)鍵點(diǎn)之一。以模型A腐蝕坑洞的等效半徑（Er=50）和模型B 孔洞的最大腐蝕深度（Mt=50）為計(jì)算指標(biāo)，初步設(shè)計(jì)了P1=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 共10 個(gè)工況，分別觀察仿真過程中形貌變化并記載每種工況所需要的時(shí)間步T，以確定最終的腐蝕反應(yīng)概率。

研究表明，隨著腐蝕反應(yīng)的增大，模型A計(jì)算等效半徑所需要的時(shí)間步大致相等，說明受到的影響較小，并且腐蝕形貌均滿足仿真要求，與實(shí)際孔洞形式具有較大的相似性。相比之下，模型B 的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，隨著腐蝕反應(yīng)概率增大而逐漸變小，這可能是因?yàn)槟Ｐ虰 主要是靠腐蝕反應(yīng)進(jìn)行的，而模型A 是通過腐蝕溶質(zhì)元胞SC 的擴(kuò)散作用而反應(yīng)的。進(jìn)一步觀察不同腐蝕反應(yīng)概率下的孔洞腐蝕形貌，發(fā)現(xiàn)均近似于橢圓形，能得出較好的仿真結(jié)果。綜合考慮，設(shè)定模型A 和模型B 的腐蝕反應(yīng)概率P1為0.5。

4.4.2 溶質(zhì)擴(kuò)散概率P2

局部腐蝕模型中各類元胞的擴(kuò)散依然遵循八元胞鄰居準(zhǔn)則，即擴(kuò)散到每個(gè)元胞的概率是相等的。模型A 中腐蝕溶質(zhì)元胞SC 向鄰近的每個(gè)元胞都可以擴(kuò)散，且每次擴(kuò)散行為之間相互獨(dú)立且概率相等。根據(jù)該擴(kuò)散準(zhǔn)則，當(dāng)溶質(zhì)擴(kuò)散概率P2介于0.5～1 之間時(shí)，計(jì)算模型A 的腐蝕溶質(zhì)元胞SC 在時(shí)間步T=1內(nèi)擴(kuò)散的數(shù)量。當(dāng)P2小于0.7時(shí)，腐蝕溶質(zhì)元胞SC的擴(kuò)散速率極快，無參考價(jià)值；當(dāng)P2大于0.7后，擴(kuò)散速率相對(duì)較慢，并逐步穩(wěn)定。綜合考慮確定模型A的P2為0.85較為合適。

對(duì)于模型B 而言，由于坑洞腐蝕行為的擴(kuò)散方向是沿深度方向，所以腐蝕溶質(zhì)元胞SC向不同位置的擴(kuò)散概率值不同，如圖5 所示。設(shè)定腐蝕溶質(zhì)元胞SC 擴(kuò)散到2 號(hào)位的P2最小，設(shè)定為0.01，其次是1、2 號(hào)位為0.02，然后是4、5 號(hào)位為0.05，最后是6、7、8號(hào)位最大為0.15。

圖5 腐蝕溶質(zhì)元胞SC的擴(kuò)散

4.4.3 產(chǎn)物堆積概率P3

電化學(xué)反應(yīng)過程中，坑洞內(nèi)發(fā)生陽極反應(yīng)致金屬溶解，并在陰極區(qū)域產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，堆積孔洞表面以形成閉塞條件，導(dǎo)致內(nèi)部陽離子濃度升高加速腐蝕進(jìn)程。由此可知，坑洞表面合適的產(chǎn)物堆積量是模擬坑洞腐蝕演化規(guī)律的關(guān)鍵內(nèi)容之一。產(chǎn)物堆積過多則會(huì)堵塞孔洞，影響腐蝕溶質(zhì)元胞SC的擴(kuò)散，抑制電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，若堆積過少則難以形成閉塞效應(yīng)。

為進(jìn)一步確定元胞自動(dòng)機(jī)模型的產(chǎn)物堆積概率P3，分別對(duì)模型A 和模型B 進(jìn)行計(jì)算。隨著產(chǎn)物堆積概率的增加，模型A在0～0.1的區(qū)間內(nèi)，等效半徑Er=50 時(shí)所用時(shí)間步是相對(duì)穩(wěn)定的。當(dāng)P3大于0.1 后，模型計(jì)算時(shí)間步呈上升趨勢(shì)，且表現(xiàn)出來的腐蝕形貌和前者相似，由此確定模型A 的P3為0.1。同樣地，依據(jù)上述方法確定模型B 的P3，可知當(dāng)P3介于0.4～0.5時(shí)，最大腐蝕深度Mt=50所用的時(shí)間步較為穩(wěn)定，并且坑洞剖面的腐蝕形貌也較為合理，故將模型B的P3設(shè)定為0.45。

4.5 仿真結(jié)果分析

基于以上參數(shù)設(shè)定可以得知局部腐蝕演化結(jié)果，隨著腐蝕行為的進(jìn)行，坑洞內(nèi)部積聚的腐蝕溶質(zhì)元胞SC 逐漸增多，涂層元胞CC 和內(nèi)部金屬被破壞，腐蝕產(chǎn)物元胞FP 堆積在孔洞表面。此外，腐蝕形貌近似圓形，并且逐步向外擴(kuò)大，腐蝕表面逐漸增加?？觾?nèi)腐蝕溶質(zhì)的濃度不斷升高，隨著時(shí)間步的增大，坑洞深度不斷加大，腐蝕截面積逐漸增加，同時(shí)腐蝕溶質(zhì)也會(huì)向左右擴(kuò)散，增大孔洞寬度，但腐蝕產(chǎn)物堆積在孔外。隨著腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，中間產(chǎn)物元胞AP 的數(shù)量越來越多，導(dǎo)致孔內(nèi)電荷不平衡，從而驅(qū)使孔外陰離子向孔內(nèi)轉(zhuǎn)移。同時(shí)孔外表面產(chǎn)生陰極反應(yīng)，產(chǎn)生部分陰離子元胞CP，并和陽離子結(jié)合生成腐蝕產(chǎn)物FP 堆積在表面。值得注意的是，產(chǎn)物堆積結(jié)構(gòu)較為疏松，并不會(huì)影響腐蝕溶質(zhì)元胞向孔內(nèi)擴(kuò)散，所以該反應(yīng)可以持續(xù)進(jìn)行，有可能會(huì)加快腐蝕速率。

元胞自動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖6。模型A和模型B中腐蝕坑洞的形貌與鹽霧試驗(yàn)中的坑洞形態(tài)具有較大的相似性，坑洞外圍形狀近似為圓形，且孔內(nèi)外存在腐蝕產(chǎn)物，表明模型的仿真效果與實(shí)際接近。此外，圖6（a）中采用顯微鏡觀察到的坑洞表面并沒有腐蝕產(chǎn)物堆積的現(xiàn)象，而是附著在孔洞周圍，但如果直接觀察試件表面，會(huì)發(fā)現(xiàn)坑洞上方均會(huì)有堆積起來的鼓包，用手撥開還會(huì)流淌出腐蝕溶液。由此表明，點(diǎn)蝕會(huì)在坑洞形成閉塞區(qū)，并可在顯微鏡下觀察到溢出的溶液和腐蝕產(chǎn)物。

圖6 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 語

本文針對(duì)水工鋼閘門的腐蝕病害，通過實(shí)地調(diào)研檢測(cè)和資料收集得到鋼閘門構(gòu)件表面腐蝕發(fā)展過程，采用鹽霧試驗(yàn)對(duì)鍍鋅鋼板進(jìn)行試驗(yàn)觀察，研究局部腐蝕的特征?；诟g特征建立二維元胞自動(dòng)機(jī)模型，通過確定相關(guān)參數(shù)，對(duì)局部腐蝕的反應(yīng)過程進(jìn)行了細(xì)致的演化，得出以下主要結(jié)論：

（1）隨著水工鋼閘門服役時(shí)間的增長(zhǎng)，構(gòu)件表面的蝕坑會(huì)造成鋼閘門構(gòu)件表面穿透或厚度削減。

（2）蝕坑內(nèi)部分產(chǎn)物會(huì)在孔邊堆積，抑制蝕坑在寬度方向上的擴(kuò)展，蝕坑附近會(huì)產(chǎn)生新的點(diǎn)蝕坑洞，但蝕坑深度會(huì)相對(duì)較淺，腐蝕速率緩慢。

（3）對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，局部腐蝕模型仿真結(jié)果較好，能夠模擬腐蝕病害從坑洞萌生到厚度減薄或坑洞穿透的整個(gè)演化過程。