金屬點蝕實驗構(gòu)件力學性能分析方法的研究進展

蘇 琪，徐小建，劉 壯，劉 佳，馬 云

(1.西安石油大學石油工程學院，陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；2.西部低滲-特低滲油藏開發(fā)與治理教育部工程研究中心，陜西 西安 710065；3.長慶油田分公司第三采氣廠，陜西 西安，710018；4.長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 榆林，718500)

腐蝕是材料受到環(huán)境介質(zhì)的化學、電化學和物理作用而發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象[1]，材料的腐蝕問題存在于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。2014 年我國的腐蝕成本高達21278.2 億元人民幣，約占當年國內(nèi)生產(chǎn)總值的3.34%[2]。據(jù)統(tǒng)計，由金屬的局部腐蝕引起的事故比例要遠遠高于全面腐蝕，因局部腐蝕引起的失效占比高達80%，其中因腐蝕疲勞斷裂引起的失效占23%，應力腐蝕斷裂占19%，純點蝕引起的失效占11%，晶間腐蝕占8%，磨蝕占6%，高溫腐蝕等其他形態(tài)的腐蝕為10%左右?？梢婞c蝕引起的破壞是金屬材料最廣泛的破壞形式之一。

鋼構(gòu)件廣泛應用在建筑、船舶、石油天然氣等工業(yè)環(huán)境。依據(jù)設(shè)計規(guī)范，其在使用期間一般都處于彈性階段，材料的工作應力狀態(tài)應為靜應力且小于屈服強度。在服役過程中，點蝕和均勻腐蝕都很常見，但點蝕的危害更大，因為點蝕難以檢測，而且會導致力學性能和承載能力的惡化[3-11]，引起極突然的失效[12-13]，因此有必要研究點蝕發(fā)生之后的力學性能變化。

目前已有很多對點蝕構(gòu)件進行拉伸、壓縮和彎曲的實驗，可觀察其在不同應力狀態(tài)和邊界條件下的性能。研究表明，點蝕會使鋼板的抗拉強度、抗壓強度、彎曲強度出現(xiàn)不同程度的下降。一般認為力學性能惡化的原因有2 個，一是化學夾雜物，二是表面缺陷[14]。點蝕缺陷會使金屬表面粗糙，產(chǎn)生嚴重的應力集中[15-16]，進而導致變形能力的降低。而且局部塑性應變的累積會導致裂紋的過早萌生和擴展[17-18]，這個過程十分復雜，與點蝕構(gòu)件力學性能的下降密切相關(guān)。研究點蝕構(gòu)件力學性能的方法眾多且各有優(yōu)劣，在進行點蝕對構(gòu)件力學性能影響的研究實驗時，要進行詳細的對比，以確保研究結(jié)果能適用于服役場合。因此，有必要對金屬點蝕實驗構(gòu)件的力學性能分析方法進行詳細的研究及梳理對比，以期為同領(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考。

1 鋼構(gòu)件腐蝕的研究方法

獲得鋼構(gòu)件腐蝕試件的方法有4 種，即自然環(huán)境腐蝕、加速腐蝕、機械手段模擬腐蝕和數(shù)值分析法。

1.1 自然環(huán)境腐蝕

自然環(huán)境腐蝕直接將預制的標準尺寸試件暴露于環(huán)境中，定期對試件的腐蝕情況進行觀察并連續(xù)記錄。腐蝕實驗的周期從數(shù)年至數(shù)十年不等，與其他獲得腐蝕試件的方法相比，周期最長，但實驗數(shù)據(jù)最為可靠。

侯文泰、梁彩鳳等人[19-20]在16 年里，在我國的7 個實驗點獲得了17 種常用鋼在自然環(huán)境中的腐蝕實驗數(shù)據(jù)， 7 個實驗點由北到南涵蓋了熱帶、亞熱帶、北溫帶3 種氣候，及干燥、濕熱、工業(yè)性、海洋性等多種大氣環(huán)境，為我國金屬腐蝕的研究提供了眾多可靠的數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果證明，鋼在自然環(huán)境下的長期腐蝕遵循式(1)的冪函數(shù)規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)短期的自然環(huán)境暴露得到的腐蝕規(guī)律與長期暴露得到的規(guī)律是不同的，指出自然環(huán)境下短期腐蝕實驗規(guī)律應用于推測長期腐蝕行為是不可靠的。

式中，D為腐蝕深度，mm；t為暴露時間，a；A、n 為常數(shù)。

Wang 等人對自然腐蝕的鋼板進行了拉伸實驗和表面測量，發(fā)現(xiàn)腐蝕會使構(gòu)件的承載能力和變形能力顯著降低，極限強度主要由厚度減薄造成，變形性能的退化主要由局部的體積損失決定。并對現(xiàn)有的經(jīng)驗公式進行總結(jié)，對預測結(jié)果進行誤差分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的經(jīng)驗公式在抗拉強度方面的預測效果良好，但在變形能力上無法實現(xiàn)預測。

李曉剛[21]指出，我國與美日等國家在自然環(huán)境腐蝕研究方面的差距整體有明顯減小，但在野外大型腐蝕場站的建設(shè)、室內(nèi)的研究手段、理論研究與數(shù)值模擬、腐蝕防護技術(shù)等方面的差距較大，尤其在腐蝕表面分析的手段上，例如激光拉曼光譜等工具的應用，我國近年才發(fā)布了相應的國標(GB/T 40219-2021)，與國際先進水平的差距較大。

總的來說，自然環(huán)境腐蝕實驗需要付出巨量的時間成本，要獲得廣泛的材料種類數(shù)據(jù)的難度很大，而且腐蝕具有復雜性、多樣性的特點，是多因素耦合的結(jié)果?？傮w來看，目前腐蝕模型的建立主要依靠經(jīng)驗公式，對腐蝕機理的深入研究以及單一因素在當中所起作用的研究，仍處在初級階段，主要處于實驗的大量積累與腐蝕行為的觀測、檢測，以及技術(shù)研究的量變過程中。

1.2 加速腐蝕實驗法

加速腐蝕實驗是在保持腐蝕機理與自然環(huán)境腐蝕相一致的情況下，設(shè)置人工腐蝕條件，從而較快速地得到腐蝕試件的方法?？梢酝ㄟ^控制腐蝕介質(zhì)的濃度和環(huán)境溫度等條件，提高試件的腐蝕速率。Okamoto 等人[22]證實，用加速腐蝕的實驗方法制備的點蝕損傷，能很好地反映真實的點蝕損傷效果。常見的實現(xiàn)加速腐蝕的方式有：

①鹽霧實驗法[23]。按鹽溶液成分的不同，可把鹽霧實驗分為中性鹽霧實驗、醋酸鹽霧實驗(AASS)和醋酸氯化銅鹽霧實驗(CASS)等。用壓縮空氣將溶液吸入噴嘴，噴灑成細霧狀小液滴充滿空間，均勻灑落在試件表面，可以加速材料的腐蝕行為。

②濕熱實驗法。在濕熱箱中模擬部分氣候下的溫度、濕度條件，強化金屬的腐蝕環(huán)境，可加速腐蝕。但由于僅設(shè)置了部分腐蝕條件，無法體現(xiàn)與其他因素的協(xié)同作用對材料腐蝕的影響，因此難以反映真實的腐蝕規(guī)律。

③干濕周浸循環(huán)實驗。將各種材料的掛片浸入腐蝕介質(zhì)中，也是金屬腐蝕實驗的常用方法。掛片按需要，可全部、部分或周期性地浸入腐蝕介質(zhì)中，但全部浸入溶液的方法，與實際的金屬表面在薄液膜下的腐蝕情況相差較大[24]，周期性浸入的方法因試件在空氣中停留時實現(xiàn)了薄液膜下發(fā)生腐蝕，這一點與實際情況更相近，因此可更多地考慮采用這種腐蝕模式。

④電解加速腐蝕。GB/T 6466-2008[25]中指出，這是快速評價鋼或鋅合金鑄件上銅-鎳-鉻和鎳-鉻電沉積層耐蝕性的方法，具有比鹽霧腐蝕的效率更高、結(jié)果更接近實際工況的特點，目前的應用范圍更廣泛。王偉等人[26]對海洋風電管樁的Q235 鋼片展開電加速腐蝕研究，制作腐蝕試樣并研究表面缺陷的發(fā)展規(guī)律。吳國慶等人[27]采用電解腐蝕，研究了高強度鋼表面電解腐蝕前后以及電解后的不同蝕坑深度，對殘余應力測量的影響。

⑤多因子循環(huán)復合實驗。這一方法復合了干濕周浸實驗與周期性噴霧兩個方面，可通過控制多個參數(shù)，實現(xiàn)對不同氣候環(huán)境更加綜合的室內(nèi)模擬實驗，更貼合實際的腐蝕結(jié)果。

盡管能快速獲得腐蝕試樣，但也有研究指出，不同方法獲得的試樣在某些方面仍存在差異。Yu[28]進行了API X65 鋼的腐蝕行為研究。一組試樣暴露于干濕循環(huán)條件下，另一組試樣完全浸入實驗溶液中。研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)條件和全浸環(huán)境中的初始腐蝕行為有顯著差異，前者以點蝕為特征，形成了雙層銹層，外銹層多孔而內(nèi)銹層致密；后者以一般腐蝕為特征，未有明顯分層。Xiao[29]采用三維掃描技術(shù)，研究了鹽霧腐蝕和電解加速腐蝕兩種方式，發(fā)現(xiàn)隨著腐蝕程度加深，電解腐蝕試樣存在腐蝕的不均勻性，而鹽霧腐蝕試樣則表現(xiàn)出相對明顯的均勻性。當腐蝕程度相當時，拉伸實驗的載荷-位移曲線顯示，相比電化學腐蝕試樣，鹽霧腐蝕的試樣具有更長的屈服平臺和更高的極限強度，認為這是受到電化學腐蝕的試樣截面不均勻，且存在由腐蝕坑引起的應力集中而導致的。

加速腐蝕的優(yōu)點，是能在相對較短的時間內(nèi)，得到在腐蝕機理上與自然環(huán)境下的腐蝕相一致的實驗結(jié)果，具備用短時間的實驗來推測長周期腐蝕過程的巨大優(yōu)勢，使用范圍非常廣泛。但目前采用單一腐蝕條件制作的試樣很多，多因子循環(huán)復合的實驗較少，這與實際的腐蝕條件不太符合，對后續(xù)的分析和預測殘余性能、壽命的研究有影響[30]。為此，需要建立與實際自然環(huán)境腐蝕更加吻合的加速腐蝕體系，這對預估服役鋼構(gòu)件的壽命和剩余強度具有重大意義。

1.3 模擬腐蝕實驗

用機械手段模擬腐蝕實驗是一種能相對簡便地得到腐蝕構(gòu)件的辦法，主要研究點蝕尺寸、位置參數(shù)等對點蝕鋼構(gòu)件整體變形和力學性能的影響，能準確反映自然點蝕對鋼構(gòu)件力學特性的影響[31-32]，試件易于加工，可操作性強。

Ma 等人[33]用線切割的方法，加工了4 種不同深度及缺口形狀的樣品，以模擬不同點蝕坑的形貌，研究點蝕形貌對鋼筋靜態(tài)和疲勞行為的影響，得到了不同點蝕程度下的應力-應變曲線，建立了點蝕參數(shù)與疲勞壽命之間的關(guān)系。Ahmmad 等人[34]用數(shù)控銑床加工了隨機錐形點蝕孔，對隨機分布點蝕坑的鋼板強度和變形性能進行了數(shù)值模擬研究，估算了腐蝕鋼板在單軸拉伸條件下的強度和變形能力，與拉伸實驗結(jié)果的擬合較好，提出了估算點蝕引起變形能力降低的經(jīng)驗公式，并驗證了其準確性。秦靜遠[35]采用實驗和非線性有限元方法，研究了具有點蝕損傷的鋼管構(gòu)件的壓縮力學性能，發(fā)現(xiàn)點蝕強度(degree of pitting intensity, DOP)對極限載荷的影響不大，中間位置的點蝕對承載能力和變形能力的削弱能力小于圓管端部，受壓圓管的極限承載力和變形能力由最小截面積決定。綜上所述，機械鉆銑法形成的蝕坑，能較好地模擬真實的點腐蝕對鋼構(gòu)件性能的影響。

1.4 數(shù)值分析法

數(shù)值分析的應用領(lǐng)域廣泛，應用于腐蝕后力學性能劣化規(guī)律的研究時優(yōu)勢明顯，通過Ansys、Abaqus 等有限元分析工具，可利用隨機/規(guī)則點蝕坑的大小、位置參數(shù)或由實際腐蝕實驗得到的試件表面的形貌數(shù)據(jù)，進行模擬力學實驗，分析在不同的加載類型、不同點蝕參數(shù)下的構(gòu)件力學性能的劣化規(guī)律。

已有很多研究[36-42]通過腐蝕構(gòu)件的力學實驗結(jié)果，驗證了數(shù)值模擬模型的可行性。目前點蝕損傷對構(gòu)件力學性能影響的研究已取得了大量成果。拉伸模擬一般采用實體單元，壓縮分析一般采用殼單元，但多是基于簡化的幾何形狀而不是真實的腐蝕表面，針對隨機點蝕與構(gòu)件類型、尺寸如板的長細比、管的長徑比等條件耦合下的定量關(guān)系的研究比較少。點蝕構(gòu)件的相關(guān)數(shù)值分析研究成果見表1。

表1 點蝕構(gòu)件的數(shù)值分析方法Table 1 Numerical analysis of pitted components

2 點蝕參數(shù)對構(gòu)件力學性能影響的研究現(xiàn)狀

局部點蝕作為一種表面缺陷、應力/應變集中的區(qū)域，會對鋼板的抗拉強度、抗壓強度、彎曲強度和抗剪切強度造成不同程度的損害。腐蝕過程可分為3 個階段：點蝕、相鄰蝕坑聚集、以一般均勻腐蝕為主[43]。腐蝕鋼材表面的不規(guī)則和粗糙度，通常認為是點蝕坑的形貌不同而導致的，由大量離散的點蝕坑相互獨立、連通、重疊而形成。為了量化點蝕的這種隨機性，常以蝕坑的直徑、深度、分布、徑深比，腐蝕構(gòu)件的體積損失、質(zhì)量損失、最小截面積、DOP 等參數(shù)來描述鋼材表面的點蝕形貌，這些量化指標整體可歸納為蝕坑的尺寸參數(shù)和位置參數(shù)2 個要素[44-47]。這2 個要素與腐蝕鋼材的力學性能和承載能力的退化直接相關(guān)。點蝕參數(shù)對構(gòu)件力學性能影響的研究進展見表2。

對點蝕參數(shù)與力學性能影響的研究，除了可通過實驗定性地說明其對力學性能的影響外，還可通過回歸分析、數(shù)值模擬等手段提出經(jīng)驗公式和預測模型，以盡可能地建立二者之間的定量關(guān)系。

Paik 等人[52]較早就開始了對點蝕板的研究，制作了規(guī)則分布的人工蝕坑試樣，利用最小截面積來評價腐蝕鋼板的極限強度，并構(gòu)建了數(shù)值分析模型，進行了大量的非線性分析。實驗結(jié)果也驗證了數(shù)值分析模型的可靠性。Garbatov 等人用體積損失率來評價鋼的腐蝕程度，通過回歸分析，得到腐蝕鋼的彈性模量、抗拉強度和伸長率與體積損失率的關(guān)系。徐善華等人[53]從腐蝕鋼板的單調(diào)拉伸實驗中發(fā)現(xiàn)，DOP 與力學性能下降的相關(guān)性不明顯，并引入與其相關(guān)性較好的最大蝕坑影響系數(shù)的概念，建立了與點蝕形貌相關(guān)的強度退化模型，與實驗曲線的擬合較好。

Nakai 等人對規(guī)律分布的人工蝕坑的腹板施加壓縮載荷，通過控制不同的DOP 和蝕坑位置，得到的抗壓強度略小于或等于均勻腐蝕的抗壓強度。蝕坑集中在板邊緣時，其極限強度低于蝕坑位于板中心位置的極限強度，但作者對這一現(xiàn)象沒有給出解釋。Sultana 等人在隨機分布的點蝕損傷板的極限強度研究中，也得到了這一結(jié)論。Liang 等人用Abaqus 模擬點蝕從板單元邊緣向中心位置的移動時，也有同樣的發(fā)現(xiàn)，對此他的解釋是：當坑位于結(jié)構(gòu)邊緣時，由于邊界效應，會產(chǎn)生較強的應力集中，因此這是結(jié)構(gòu)邊緣蝕坑的SCF 值（應力集中系數(shù)）遠大于中心坑的SCF 值而導致的。

早期對點蝕損傷影響鋼結(jié)構(gòu)強度的研究，多以規(guī)則分布的點蝕為主，缺少隨機點蝕損傷下力學性能退化規(guī)律的研究，這與實際情況中點蝕發(fā)生的尺寸、位置參數(shù)的隨機性不相符。近年的研究已經(jīng)補上了這一短板。目前，除了直接用腐蝕試件進行力學實驗，以及使用數(shù)值分析軟件隨機產(chǎn)生點蝕參數(shù)的方法外，基于實際腐蝕試件的表面形態(tài)數(shù)據(jù)，進行建模分析的手段越來越受到重視。Wang 等人利用三維輪廓儀獲取真實腐蝕表面的三維形貌，通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，與其他模擬研究中提出的經(jīng)驗公式相比，實驗預測結(jié)果的精度有很大的提高。

Qin 等人利用三維形貌觀測儀，對人工鹽霧腐蝕后的構(gòu)件表面進行表征，得到腐蝕損傷的相關(guān)參數(shù)，并用有限元軟件ANSYS 對真實腐蝕表面鋼板的力學性能進行數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬的拉伸結(jié)果與腐蝕構(gòu)件的實際拉伸結(jié)果相一致。同時建立了鋼的本構(gòu)模型，并總結(jié)了模型參數(shù)的變化規(guī)律。

對于特定的實驗環(huán)境和數(shù)據(jù)，大多數(shù)具有代表性的變量和經(jīng)驗模型都能提供理想的預測結(jié)果，但多數(shù)代表性變量仍不能完全體現(xiàn)點蝕發(fā)生的隨機性，因此預測模型具有特定的應用條件。當腐蝕條件發(fā)生變化時，其應用也會受到限制。Xu 等人建議，為了保證預測結(jié)果的可靠性，最好在同一場合下同時采用3 個或3 個以上的經(jīng)驗模型進行預測。目前針對點蝕的相關(guān)研究可總結(jié)如下：

1）將隨機點蝕視為形狀、深度和分布均較為規(guī)律的點蝕，對其極限強度進行的評估往往過于樂觀，低估了實際情況中極限強度的降低，安全風險較高。

2）拉伸條件下，一般認為材料的抗拉強度主要由最小截面積決定，屈服強度同時與蝕坑深度及DOP 有關(guān)。壓縮條件下，極限強度主要由體積損失率[54]控制，但針對彎曲和剪切條件的研究報道較少，缺乏相對統(tǒng)一的結(jié)論。特別是在板單元的實驗中，對板的長細比與長寬比的影響研究，相關(guān)結(jié)論的差異較大[55]。

3）拉伸條件下，對點蝕構(gòu)件數(shù)值模擬正確性的驗證實驗已有很多，但對壓縮、彎曲、剪切條件的數(shù)值模擬，仍缺乏相關(guān)的實驗，用于驗證所建立模型的準確性。

4）有關(guān)點蝕形貌、位置參數(shù)與力學性能退化之間的定量關(guān)系研究，以及力學性能退化模型的相關(guān)報道總體仍較少。

3 結(jié)論與展望

腐蝕是涉及材料學、電化學、物理學等多學科的復雜行為，在腐蝕的萌生階段和發(fā)展過程中，其與服役環(huán)境中的眾多影響因素間的交互影響十分復雜，需要自然環(huán)境腐蝕的模型建立、實驗室研究數(shù)據(jù)的積累、數(shù)值分析對腐蝕行為模擬與預測等各方面的協(xié)同互補。腐蝕初期的點蝕行為及其造成的破壞往往呈現(xiàn)出非線性、隨機性、突發(fā)性等特點。未來，除了研究點蝕的形貌參數(shù)，還應考慮加入隨機點蝕以及在不同的構(gòu)件尺寸、預/殘余應力、交變載荷等條件下，對力學性能定量影響的研究，建立與實際自然環(huán)境腐蝕更加貼近的腐蝕體系，以便準確地研究點蝕構(gòu)件力學性能的劣化規(guī)律，使得實驗結(jié)論能更好地貼合實際工況，從而為金屬防護與失效的預判提供翔實的依據(jù)。