基于多物理場耦合的Q345鋼應(yīng)力腐蝕行為研究

裴文樂，裴兵兵，王建梅，帥美榮，謝壯壯

(太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西太原 030024)

在全球“碳中和”的大背景下，海上風(fēng)電發(fā)展十分迅速，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，在可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。塔筒是海上風(fēng)電機(jī)組的主要承載部件，工作時(shí)需要長期承受交變載荷作用，同時(shí)受風(fēng)浪載荷的聯(lián)合作用，受力情況比陸上風(fēng)機(jī)更復(fù)雜[3]。海上風(fēng)電機(jī)組和平臺的支撐結(jié)構(gòu)主要由鋼板制成，在海洋環(huán)境條件下極易受到腐蝕。海上風(fēng)電設(shè)備遭受的強(qiáng)腐蝕主要來自于海洋腐蝕環(huán)境下海水和鹽霧中的氯離子，海水與空氣接觸面大，對流充分，加快了海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕速率。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)腐蝕導(dǎo)致設(shè)備剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降，降低了使用壽命。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，鋼表面通過保護(hù)涂層、犧牲陽極、外部電流或它們的組合來實(shí)現(xiàn)防腐[4-6]。此外，遭受長期腐蝕的鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷處容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，由于力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)，應(yīng)力與鋼結(jié)構(gòu)表面的電化學(xué)腐蝕相互作用易導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕失效[7-10]。XU等[11-14]研究了高強(qiáng)度管線鋼在近中性碳酸氫鹽溶液中腐蝕缺陷的力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)，并用COMSOL軟件模擬得出電極電位和腐蝕電流密度，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Gutman模型耦合應(yīng)力與電化學(xué)腐蝕的精確性。SUN和CHENG[15]研究了相鄰或周向排列的腐蝕缺陷之間的力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)。Q345鋼因其良好的綜合力學(xué)性能、優(yōu)越的焊接性和低溫韌性，常用于海上風(fēng)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)。SHOJAI等[4]通過逆向工程建立腐蝕缺陷模型，研究了點(diǎn)腐蝕及應(yīng)力集中對海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)用鋼疲勞壽命的影響。ZHANG等[16]對Q345鋼進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，基于腐蝕試件進(jìn)行有限元模擬與實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明腐蝕對試件的應(yīng)力分布與疲勞壽命有顯著影響。ZHAO等[17]提出了一種預(yù)測Q345鋼抗拉強(qiáng)度的解析方法，并驗(yàn)證了其有限元模型的準(zhǔn)確性。LIAO等[18]建立了隨機(jī)點(diǎn)蝕鋼板屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的退化概率模型，結(jié)果表明點(diǎn)蝕分布對極限強(qiáng)度的影響大于對屈服強(qiáng)度的影響。李天奇等[19]應(yīng)用Gutman模型研究了帶腐蝕坑抽油桿陽極溶解機(jī)制下應(yīng)力腐蝕，提出了一種新的抽油桿壽命計(jì)算方法。腐蝕對材料的影響不僅存在缺陷的形成階段，也存在缺陷的擴(kuò)展階段，但他們的研究主要為穩(wěn)態(tài)問題，沒有考慮腐蝕缺陷的生長對應(yīng)力和腐蝕的影響。

本文作者建立了海洋腐蝕環(huán)境下Q345鋼的應(yīng)力腐蝕有限元模型，研究拉伸應(yīng)變和缺陷深度對其力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)的影響規(guī)律，包括電極電位、等效應(yīng)力、陽極電流密度等，彌補(bǔ)了前人關(guān)于Q345鋼腐蝕缺陷應(yīng)力集中研究未考慮力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)的不足。在給定的工作條件下，研究腐蝕缺陷隨時(shí)間的生長行為，預(yù)測等效應(yīng)力、腐蝕量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1 應(yīng)力腐蝕有限元分析

1.1 試驗(yàn)與電極動力學(xué)

考慮材料電化學(xué)腐蝕計(jì)算，須建立鋼結(jié)構(gòu)的電極動力學(xué)。試驗(yàn)材料選用Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼，電化學(xué)試樣尺寸為20 mm×10 mm×3 mm，暴露面積為1 cm2。試樣經(jīng)砂紙打磨后采用金剛石拋光膏對其進(jìn)行機(jī)械拋光，然后使用乙醇溶液、丙酮依次清洗，吹干備用。采用MS-M9000多功能摩蝕試驗(yàn)儀和配套的CS350電化學(xué)工作站測量Q345鋼的極化曲線，測試采用三電極體系，工作電極為Q345鋼，參比電極為Ag/AgCl/KCl，對電極為石墨電極。腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl溶液，用于模擬海洋腐蝕環(huán)境。發(fā)生腐蝕時(shí)，主要考慮腐蝕缺陷處的陽極和陰極反應(yīng)。金屬溶解的陽極反應(yīng)式和陰極的吸氧反應(yīng)如下：

Fe→Fe2++2e-

(1)

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

圖1所示為Q345鋼在腐蝕介質(zhì)中的極化曲線。試驗(yàn)前先進(jìn)行開路電位測量，待體系穩(wěn)定后測量動電位極化曲線，掃描速率為0.5 mV/s，掃描范圍為相對開路電位(OCP)±250 mV。

圖1 Q345鋼在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線Fig.1 Potentiodynamic polarization curve of Q345 steel in 3.5%NaCl solution

假設(shè)溶液中亞鐵離子的濃度為1×10-6mol/L，pH值為8，計(jì)算得到陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)以Ag/AgCl/KCl為參比電極時(shí)的平衡電位[20]。通過極化曲線擬合得到Tafel斜率，極限擴(kuò)散電流密度作為陰極反應(yīng)數(shù)值模擬約束條件[21]。反推極化曲線得出陽極和陰極反應(yīng)交換電流密度，數(shù)值模擬所需電化學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬所需電化學(xué)參數(shù)

電解液中的傳質(zhì)過程遵循質(zhì)量和電荷守恒，傳質(zhì)過程中需要考慮對流、擴(kuò)散和電遷移，文中模型假設(shè)電解液中離子濃度均勻分布且不隨時(shí)間變化。

1.2 幾何模型與邊界條件

文中建立了一個(gè)長度為4 m、厚度為36 mm鋼板二維模型。在模型周圍，創(chuàng)建一個(gè)4 m×2 m的模擬電解質(zhì)計(jì)算區(qū)域，模擬海洋腐蝕環(huán)境。以橢圓性腐蝕坑的形式模擬損傷，腐蝕坑長度為200 mm，已知Q345鋼的屈服強(qiáng)度為475 MPa，探究拉伸應(yīng)變、腐蝕缺陷深度和腐蝕時(shí)間對Q345鋼力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)的影響，具體參數(shù)設(shè)定見表2。其中拉伸應(yīng)變?nèi)′摪彘L度方向的0.05%～0.20%，缺陷深度取板厚度方向的20%、30%、60%、70%。Q345鋼在腐蝕介質(zhì)中處于活性溶解狀態(tài)，腐蝕缺陷表面發(fā)生陽極和陰極的反應(yīng)腐蝕動力學(xué)用Tafel描述為

表2 不同變量參數(shù)設(shè)定

ia=i0，aexp(ηa/ba)

(3)

ic=i0，cexp(ηc/bc)

(4)

η=φ-φeq

(5)

式中：下標(biāo)a和c分別為陽極和陰極反應(yīng)；i為電化學(xué)反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移電流密度；i0為交換電流密度；φ為電極電位；φeq為平衡電極電位；η為活化過電位；b為Tafel斜率。

1.3 彈塑性應(yīng)變對反應(yīng)平衡勢的影響

Gutman推導(dǎo)了彈性和塑性變形對陽極反應(yīng)平衡勢的影響，得到的公式如下：

(6)

(7)

連續(xù)彈塑性拉伸：

(8)

XU和CHENG[11]通過實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)和有限元模擬，驗(yàn)證了Gutman模型的可靠性，并導(dǎo)出陰極反應(yīng)的機(jī)電化學(xué)效應(yīng)的表達(dá)式。YANG等[22]應(yīng)用式(9)研究了304不銹鋼受塑性變形時(shí)，不同陰極反應(yīng)對縫隙腐蝕的影響。

ic=i0，c×10(σMisesVm)/[6F(-bc)]

(9)

式中：i0，c是Q345鋼在沒有外部應(yīng)力以及應(yīng)變的情況下陰極反應(yīng)的交換電流密度；σMises是根據(jù)有限元計(jì)算的應(yīng)力；bc是陰極塔菲爾斜率。

1.4 變形幾何的時(shí)間相關(guān)模型

腐蝕會造成缺陷幾何形狀的變化，由于有限元模擬中多個(gè)物理場的相互作用，缺陷的生長會影響局部的應(yīng)力集中，進(jìn)而力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)又會加速腐蝕。文中模擬5年內(nèi)腐蝕缺陷的生長，為了實(shí)現(xiàn)這一瞬態(tài)過程，在模型中引入變形幾何界面概念，實(shí)現(xiàn)物體變形對應(yīng)于材料的添加或去除。為了避免網(wǎng)格畸變，通過ALE自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)使網(wǎng)格隨著缺陷的增長而變化。變形表面的法向速度使用Faraday定律估算如下：

(10)

式中：v是垂直于鋼與溶液邊界的變形速度；ia是鋼的陽極電流密度；M是鋼的質(zhì)量，M=56 g/mol；n是電荷數(shù)，n=2；F是法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 485 C/mol；ρ是鋼的密度，ρ=7.85 g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕缺陷處應(yīng)力集中和溶液中的電位

圖2(a)所示為Q345鋼在不同拉伸應(yīng)變下腐蝕缺陷處溶液中腐蝕電勢和von Mises應(yīng)力的分布情況，其中右上方的圖例表示von Mises應(yīng)力，右下方的圖例為電勢。在0.05%和0.10%的拉伸應(yīng)變下，缺陷中心處應(yīng)力未超過屈服強(qiáng)度，發(fā)生彈性變形。此時(shí)，溶液中的勢場非常均勻，缺陷中心應(yīng)力逐漸增大，腐蝕缺陷處的應(yīng)力水平均高于兩側(cè)。當(dāng)拉伸應(yīng)變增加到0.15%和0.20%時(shí)發(fā)生塑性變形，局部應(yīng)力進(jìn)一步增加，在溶液中勢場呈明顯的非均勻分布，腐蝕缺陷附近出現(xiàn)對稱的弧形區(qū)域，應(yīng)力越大，腐蝕電勢的負(fù)向移動越明顯。圖2(b)所示為Q345鋼在不同深度腐蝕缺陷處溶液中勢場和應(yīng)力的分布。在固定的拉伸應(yīng)變下，缺陷深度越大，局部產(chǎn)生的應(yīng)力也越大，腐蝕電勢也隨之負(fù)移。當(dāng)腐蝕缺陷深度為7.2和10.8 mm時(shí)，不影響溶液中的勢場；隨著腐蝕深度增加到21.6和25.2 mm，缺陷中心的應(yīng)力集中進(jìn)一步增大，而缺陷邊緣的應(yīng)力集中減小，溶液中的勢場發(fā)生明顯變化。

圖2 溶液中勢場和腐蝕缺陷底部的等效應(yīng)力Fig.2 Potential field and equivalent stress of corrosion defect bottom in solution：(a)corrosion potential and von Mises stress under different tensile strains；(b)corrosion potential and von Mises stress at different defect depths

2.2 拉伸應(yīng)變對缺陷處腐蝕相關(guān)參數(shù)的影響

根據(jù)模型的幾何對稱性和溶液的均勻性，取模型的1/2用于分析。圖3所示為Q345鋼在21.6 mm腐蝕缺陷深度下不同拉伸應(yīng)變時(shí)的腐蝕相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

從圖3(a)中可以看出，在不同的拉伸應(yīng)變下，最高應(yīng)力均出現(xiàn)在缺陷中心，相對中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越小。由圖3(b)可得，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.05%和0.10%時(shí)，缺陷區(qū)域均為彈性變形，對Q345鋼缺陷處的電極電位影響較小；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.15%和0.20%時(shí)，局部應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，在發(fā)生塑性變形的區(qū)域電極電位大幅負(fù)移。從圖3(c)可以看出，在沒有拉伸應(yīng)變的情況下，陽極電流密度沿著缺陷底部恒定在0.109 A/m2。當(dāng)拉伸應(yīng)變導(dǎo)致局部產(chǎn)生塑性變形時(shí)，缺陷中心的陽極電流密度顯著增加，其中應(yīng)變?yōu)?.15%時(shí)增加到0.287 A/m2，應(yīng)變?yōu)?.20%時(shí)增加到0.315 A/m2，而缺陷側(cè)的電流密度略有下降，缺陷中心較大的電流密度將促進(jìn)陽極的溶解反應(yīng)。隨著拉伸應(yīng)變的增加，應(yīng)力與陽極電流密度越大，缺陷處的腐蝕速率越快，應(yīng)力呈現(xiàn)先快后慢的增長趨勢。由圖3(d)可以看出，在不同拉伸應(yīng)變下，缺陷中心處陰極電流密度負(fù)移最大，離中心點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，陰極電流密度值越小。

圖3 不同拉伸應(yīng)變下Q345鋼應(yīng)力腐蝕計(jì)算結(jié)果Fig.3 Stress corrosion calculation results of Q345 steel under different tensile strains：(a)von Mises stress； (b)electrode potential；(c)anode current density；(d)cathode current density

2.3 缺陷深度對缺陷處腐蝕相關(guān)參數(shù)的影響

圖4所示為Q345鋼在0.15%拉伸應(yīng)變下不同缺陷深度的腐蝕相關(guān)計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，在固定的應(yīng)變下，隨著缺陷深度的增加，缺陷中心的應(yīng)力也對應(yīng)增加，中心處的應(yīng)力集中更加明顯；當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，相對中心點(diǎn)距離較遠(yuǎn)處的應(yīng)力明顯減小。當(dāng)缺陷深度為7.2和14.4 mm 時(shí)，缺陷處應(yīng)力呈線性分布，由于應(yīng)力并未超過屈服強(qiáng)度，電極電位、陽極電流密度和陰極電流密度的值變化較小。此時(shí)，電極電位分布均勻，即腐蝕缺陷的存在不會影響整個(gè)缺陷的電極電位。隨著深度增加到21.6和25.2 mm，缺陷中心發(fā)生塑性變形，加快局部陽極溶解反應(yīng)，中心應(yīng)力、陽極電流密度的計(jì)算結(jié)果最大值均出現(xiàn)在中心處。腐蝕深度的增加導(dǎo)致缺陷中心電極電位、陰極電流密度的負(fù)增長，隨著相對中心點(diǎn)距離的增加，陰極電流密度逐漸減小。

圖4 不同缺陷深度下Q345鋼應(yīng)力腐蝕計(jì)算結(jié)果Fig.4 Stress corrosion calculation results of Q345 steel under different defect depths：(a)von Mises stress； (b)electrode potential；(c)anode current density；(d)cathode current density

2.4 缺陷處應(yīng)力和腐蝕量隨時(shí)間的分布

由于塑性變形導(dǎo)致的力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)會顯著加快局部陽極的溶解反應(yīng)，因此需要考慮缺陷生長對應(yīng)力腐蝕行為的影響。圖5所示為0.15%拉伸應(yīng)變下，缺陷深度為21.6 mm時(shí)在力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)作用下0～5年的應(yīng)力分布。圖6所示為0～5年缺陷中心應(yīng)力變化與不同缺陷深度處5年腐蝕量的計(jì)算結(jié)果，可見力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)影響了缺陷處的von Mises應(yīng)力，改變了缺陷處的壁厚。從圖6(a)中可以看出，不同深度缺陷中心應(yīng)力隨著時(shí)間均呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)深度增加到21.6和25.2 mm時(shí)，應(yīng)力上升速率變快。圖6(b)所示為固定拉伸應(yīng)變下，5年間不同深度缺陷中心處的壁厚減少量?？梢钥闯觯?dāng)應(yīng)力小于475 MPa發(fā)生彈性變形時(shí)，無論缺陷深度的大小，腐蝕量幾乎不改變，腐蝕壁厚減少在5%以下；當(dāng)應(yīng)力超出Q345鋼的屈服強(qiáng)度發(fā)生塑性變形時(shí)，腐蝕壁厚減少達(dá)到了11%以上，缺陷的幾何變化影響缺陷的局部應(yīng)力集中和腐蝕速率。

3 結(jié)論

通過建立有限元模型分析含缺陷的Q345鋼在海洋腐蝕環(huán)境下的受拉應(yīng)力產(chǎn)生的力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)，并通過多物理場耦合方法模擬了缺陷生長對應(yīng)力和腐蝕速率的影響。主要結(jié)論如下：

(1)隨著拉伸應(yīng)變和缺陷深度的增加，缺陷處的應(yīng)力也隨著增加，Q345鋼的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在缺陷中心。拉伸應(yīng)變導(dǎo)致Q345鋼的應(yīng)力整體增強(qiáng)，而腐蝕深度的增加導(dǎo)致缺陷中心的應(yīng)力更加集中。在缺陷的兩側(cè)，應(yīng)力實(shí)際上隨著缺陷深度的增加而減小。

(2)當(dāng)腐蝕缺陷處于彈性變形時(shí)，腐蝕電位、陽極電流密度等都變動較小，隨著拉伸應(yīng)變或腐蝕深度的不斷增加，局部塑性變形的發(fā)生會顯著加快陽極溶解反應(yīng)。

(3)考慮腐蝕缺陷生長時(shí)，不同深度缺陷應(yīng)力隨著缺陷的生長而增加，缺陷處的力學(xué)和電化學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)了缺陷中心的腐蝕速率，加速Q(mào)345鋼的失效。