试论海上风电钢构基础腐蚀疲劳及早期检测

卢颖

广东水电二局股份有限公司 广东 广州 511300

1 腐蚀疲劳和腐蚀疲劳断裂

1.1 二者的含义

1、腐蚀疲劳

还被称作交变应力腐蚀，主要是在腐蚀的环境中，相关材料所承受的交变载荷出现了疲劳破坏的情况。钢构的疲劳极限，因为应力的时间延长加上处于腐蚀的环境中，所以，在联合性的作用下被降低，从而出现了脆性断裂，并逐渐的蔓延，造成了过早的破裂，因此被叫做腐蚀疲劳。简单的交变应力或者腐蚀所带来的破坏程度远远没有该破坏大。

2、腐蚀疲劳断裂

相关钢构内因为长期大量地积累腐蚀疲劳所产生的损伤，就会出现初始的疲劳裂纹，并逐渐扩散，如果该裂纹蔓延到一定程度后，就无法承受外载，使裂纹开始迅速地扩大，最终使整个构件出现断裂。

1.2 腐蚀疲劳的特征

出现腐蚀疲劳的原因通常是因为表面出现了腐蚀坑或者缺陷，从腐蚀孔隙开始，以垂直方向作用力呈现出丛状分布。这种疲劳存在着多源性，有许多深的孔隙，有许多的裂缝，并且裂缝的边缘呈现出锯齿形状。当腐蚀较大，应力较小时，裂纹的上方呈现出圆钝状；如果腐蚀较小，应力较大，那么裂纹的上方就会比较尖。断口的位置存在着被腐蚀的特征，也有疲劳的特征。主要变现为：腐蚀出现的物质、腐蚀坑、腐蚀沟、槽式台阶和疲劳弧带、疲劳沟纹、疲劳台阶等。疲劳裂缝通过微观观察表现为穿晶型，没有分枝或者少数分枝。

无论在何种腐蚀环境内，金属材质都会出现腐蚀疲劳，例如：碳钢和低合金钢。钢对腐蚀疲劳的敏感程度会因为其强度的不断提升而增加。不需要固定的腐蚀系统就能产生腐蚀疲劳。如下图所示为钢在四种不同环境中的S-N曲线图，根据图中可知，钢的疲劳极限在真空、空气以及预先侵蚀中会逐渐地降低。材料在腐蚀疲劳下出现断裂的交变应力会逐渐降低，没有任何的疲劳极限。当交变应力的加载频率逐渐降低时，平均的应力就会逐渐增大，相应的材料强度就会越大，那么腐蚀疲劳裂纹蔓延的速度就会越快。

1.3 腐蚀疲劳带来的危害

腐蚀疲劳出现的断裂，和应力的腐蚀破坏以及机械疲劳存在着不同之处，并且腐蚀疲劳断裂也不是二者累加形成的。腐蚀疲劳的后期出现了断裂的情况，该过属于简单的机械性行为，和环境以及介质没有任何关系。腐蚀疲劳的断裂属于脆性的，整个断裂周围不存在塑变的情况，也就是说，在发生腐蚀疲劳断裂之前，不会产生显著的宏观塑性变形，用于提前预警，因此，这个就是腐蚀疲劳最大的危害之处。

1.4 预防腐蚀疲劳的方法

想要让腐蚀疲劳得到有效地缓解，就要对防腐性的材料进行选择，然后表面残留的应力可以对喷丸的处理方法来进行应用，使其得到下降，例如：热喷锌、铝、防腐涂层以及包覆防腐等。使用任何方式来使材料的防腐能力得到提升，都能够使腐蚀疲劳的强度提高。当遇到不能提前预防和没有办法避免的腐蚀疲劳，就要对其进行及时的检测，当发现了问题要及时采取措施进行处理，确保机组能够安全地运行。

2 腐蚀疲劳的早期检测

2.1 超声波检测法

该方法主要是利用了超声波在试件中传播的特点。在检测中遇到气孔、裂纹、分层或者夹杂时，超声波在传播过程中就会出现全反射或者部分反射的情况。探头会将反射的超声波进行接收，然后对仪器中的电路进行利用并处理超声波，然后超声波显现在仪器的荧光屏上，表现形式为高度不同，存在着一定距离的波形，从而能够对工件内出现缺陷的地方、深度以及形状进行明确。该方法的主要优点有：可以将其应用到检测金属、非金属和复合材料中；具有较高的穿透能力，能够检测比较厚的材料；可以对缺陷位置进行确定以及定量，对于检测面积型的缺陷比较适用；具有较高的灵敏性、应用成本比较低、检测速度快、不会带来危害。其存在的缺点有：最终结果不具有直观性，需要在表面较为平顺光滑的地方进行使用，不方便进行保存。

2.2 磁粉检测法

该方法主要是将需要检测的工件放到磁场环境中，然后使部分或者整体被磁场磁化。如果该部件的表面或者临近表面的地方有裂纹、夹杂、气孔或者没有熔合焊透的缺陷部位，就会在其表面产生漏磁场而有磁力线漏出的情况，之后会对磁粉进行吸附，最终在缺陷处产生聚集性的磁粉痕迹，可以判断缺陷出现的地方、大小及其形状。该方法的主要优点有：能够应用到铁磁性材料以及表面和临近表面的地方存在缺陷的检测中，使用成本比较低，操作上简单方便，反应能力较高。其存在的缺点有：对于没有磁性的材料无法使用该方法进行检测，不能对缺陷的深度进行确定，同时在对其进行使用时会产生一定的电磁辐射。

2.3 涡流检测法

该方法主要是对电磁感应的原理进行运用，在对缺陷进行判定时，主要依靠的就是在所检测部件内感生涡流的变化情况。在金属板上放置或者金属管外嵌套一个线圈，且该线圈有交流电通过，此时该线圈的内部就会形成一个磁场，从而让部件内出现感应交变电流，该电流呈现出旋涡状，即涡流。产生的涡流大小决定了金属材料中的缺陷形状。主要的优点有：检测所使用的线圈不用同检测物直接进行接触，其检测的速度比较快。存在的缺点有：对于形状比较复杂的部件，只能对其表面的缺陷进行检测而无法深入。

2.4 渗透检测法

该方法主要操作为，将含有荧光的燃料或者着色染料的渗透剂涂到需要检测的部件表面，表面存在缺陷的地方会因为毛细管的作用而被渗透剂渗入；将表面多余的渗透剂清除干净以后，就将显像剂涂抹到表面，这样缺陷中被渗入的渗透剂就会回到显像剂中，然后将检测部件放到光源下，有缺陷的地方就会被显现出来，进而可以对缺陷的形状和分布情况进行判断。该方法的主要优点有：能够在各种材料中进行应用，具有比较高的灵敏性，所显示出来的缺陷具有直观性，操作比较便捷。存在的缺点有：操作的流程比较复杂，速度也比较慢，同磁粉检测相比灵敏度较低，并且其只能对表面存在开口的缺陷进行检测。

2.5 射线照相检测法

主要应用到的射线有X射线、γ射线和中子射线，肉眼没有办法看到的物质可以通过射线来实现并产生胶片感光，胶片乳剂层内的乳化银会随之而出现潜影。射线在照射具有不同密度的物质时，该物质对其吸收的系数会有所差异，同时胶片各处所被射线照射以后的能量也会有一定的不同，此时在对缺陷进行判断时，可以对经过暗室进行处理的底片各个部分不同的黑度来进行判断。该方法的主要优点有：生成的图像具有直观性，能够准确地对缺陷进行定性和定量，并且可以长期保存该记录；检测体积型的效率比较高，例如气孔或者夹渣等；部件厚度较薄的适合使用该方法；对于角焊缝不适合应用。存在的缺点有：当缺陷的类型为面积型（即没有焊透或者没有熔合以及出现裂纹的地方）时，如果照射的角度不恰当，容易出现漏检的情况；在检测部件缺陷厚度方面具有一定的困难性；使用该方法的成本比较高，检测的速度低；其所产生的辐射对人体具有一定的威胁。

3 海上风电对无损检测的要求以及相关应用

3.1 海上风电的腐蚀情况

海上风电的基础性结构一般都会对热轧低合金高强度的结构钢材料进行应用，其材质主要是Q345D，焊接方式为双面坡口焊接，以及全焊透形式，在进行验收时，要根据一级标准《钢结构工程施工质量验收规范》[1]。为了使焊接的质量得到有效保证，需要对焊接的预热、焊接各个层次之间的温度、后热保温方式、消除焊接线能量和焊接时残存的应力等进行控制和处理。

机组钢构基础因为海洋气候环境的影响，而产生了大量的腐蚀，这些腐蚀使疲劳损伤的速度加快，同时疲劳的载荷不断增加而是腐蚀的程度加剧。所以，腐蚀疲劳从严格意义上讲，空气以及各个气体环境或者液体环境的疲劳都属于腐蚀疲劳。具有典型性的腐蚀疲劳破坏就是在海水环境中的金属结构出现了疲劳破坏，该破坏的机理和在空气中所产生的破坏机理存在着明显的区别，因此使用的时间也会存在差异，疲劳强度的极限存在于海上中部。电化学作用就是海水腐蚀疲劳破坏的机理。

种类不同的钢铁结构物在海洋环境中，会因为出现腐蚀破坏而使钢铁结构物失去作用，主要有三个方面的原因，即金属材料、环境和设计。其中，金属材料的原因是：有害元素高于标准值，热处理不合适，使用了缺乏合理性的加工技术，导致了应力、裂纹或者裂痕残留在了表面，所使用的连接材料无法适配，表面出现了污渍或者破损。环境的原因有：环境中存在着高氧化性的介质，整体环境具有较高的腐蚀性，环境中一些特殊的因素产生的影响，例如：振动、空泡、疲劳、残余应力以及周期应力。微型生物或者大型生物带来的影响，比较散乱的电流，金属所在的环境地点不一样，例如：海泥区域、深水区域或者表面的浅水区域。设计的原因有：缝隙产生的一些影响，例如：钢缆、轴承、套管、盖以及螺栓等方面出现的缝隙，恒应力和周期循环交变应力带来的影响，所使用的金属和环境严重不配套，阴极的保护电位不高。

3.2 海上风电钢构在运行过程中使用无损检测的需求

在对海上风电运行设备进行防腐检验时，可以根据相应的标准要求来进行检测，并保证每个5年都要进行一些无损检验。海上风电的钢构基础，特别是多管桩的钢构基础具有比较复杂的受力，因此在实际的运行过程中，非常容易因为缺陷而出现危险。危险最大的就是受应力最大的运行中的相关构件。所以，需要根据相应的检测标准来对钢构基础的焊缝位置进行无损检测，从而能够及时地对钢构基础的情况进行了解。

在对海上风电钢构进行无损检测时，有着极大的特殊性。例如：其所涂抹的防腐层比较厚，所以检测时具有巨大的困难性；海上风电的腐蚀环境比较恶劣，在对油漆进行修补时无法达到相应的质量标准，在对其进行检测时，需要保证油漆的涂层不被破坏，因此在检测中会存在着油漆。如果应用传统的超声波、磁粉等无损检测方式，需要将相应的防腐涂层进行打磨，直至其能够满足检测的灵敏性要求。所以为了能够使海上的钢构基础的无损检测需求得到满足，可以对脉冲电磁法进行应用。

3.3 海上风电钢构检测中对脉冲电磁法进行运用

3.3.1 检测原理

需要检测的钢构表面使用磁化的装置进行磁化处理，并使用传感器对表面进行扫描，如果遇到出现裂纹的地方就会出现磁场泄漏的情况；泄漏出来的磁场会被检测的线圈所感应到，然后将该部分磁场转化成电信号；将电信号传输到信号整形和处理单元中，然后会对这些信号进行分类选择、整合电流并进行放大处理；一些数据信号出现了高于限度值的情况，会由声或者光将其展现出来。该方法的主要优点是：能够检测到表面和临近表面有裂纹的地方，在检测时，不要对钢构表面进行清洁，同时也不需要人员来对其进行磁化处理，加入磁粉或者磁悬液；能够将疲劳处、腐蚀位置和因为制造工艺而出现的表面裂纹情况找到；在发现缺陷方面的表现形式更具有直观性。

3.3.2 技术参数

灵敏性：表面裂纹（焊缝或者母材）的深度需要大于或者等于0.3mm或者0.5mm，长度要保证其大于或者等于5或3mm，宽度要确保大于或者等于0.01mm；需要检测的钢构表面的非金属涂层或者污垢的厚度最大的限度为1.8mm；检查的最高速度为每秒0.2m；内置的充电电源连续供电的最长时间不能超过10个小时左右；检测时所处的环境温度应该保证在-5℃到55℃之间，空气的相对性湿度应该在－45%—80%范围内，大气的压强要在630mmHg-800mmHg。

3.3.3 现场检测

检测时要根据《钢结构工程施工质量验收规范》、承压设备无损检测（JB/T 4730-2005）[2]。检测的方式为：马鞍形角焊缝部分应该分成三个部分，然后在分别对这三个部分进行检测。在对角焊缝的上方和下方的焊趾位置进行检测时，焊趾上安放一个和焊趾延伸方向相同的探头长轴，并将仪器归零，向焊趾的方向移动探头；在对角焊缝的表面进行检测时，在焊趾上放置一个和焊缝延伸方向相同的探头长轴，然后将仪器归零，顺着角焊缝的方向使用探头对角焊缝的表面进行扫描探查，在对相关位置进行扫描和探查时，要保证每一次探头扫描的位置都和之前扫描位置有百分之十的重合部分，并使角焊缝的表面全部被扫描探查。

在使用无损检测对海上风电钢构基础进行检测时，带有油漆的检测形式是其所具有的最大特点，满足海上的防腐需要[3]。对海上风电钢构基础进行无损检测，可以对海上正在运行的钢构基础腐蚀疲劳进行及早地预防，同时也能够明确腐蚀疲劳的防范对象和之后防腐的重点。对海上风电钢构基础的腐蚀疲劳进行早期的检测和方法具有十分重要的作用。

4 结语

根据对无损检测和腐蚀疲劳进行分析，以及在海上风电钢构基础对无损检测进行应用的阐述中可以知道：1、对钢构基础在海洋环境中的腐蚀疲劳进行初期的检测和跟踪监测具有一定的重要性：在使用无损检测对海上风电钢构基础进行检测时，需要保证钢构基础现有的防腐油漆涂层不被破坏；在对海上风电钢构基础进行检测时，使用脉冲电磁法，该方法对于早期的腐蚀疲劳出现的裂纹检测具有十分显著的效果。2、海上风电在实际运行中，对于检测其腐蚀疲劳有着基础性保障的就是无损检测技术的使用和发展；无损检测技术能够及时地发现腐蚀疲劳的裂纹，并采取相应的措施进行及时处理，保障了海上风电的运行安全性，同时该方法也成为了未来的重要研究课题。