风电场塔筒螺栓腐蚀分析

2021-12-30李岩房海峰孙作峰何梓洋陈有为王玉飞

装备环境工程 2021年12期

李岩，房海峰，孙作峰，何梓洋，陈有为，王玉飞

（1.深圳国能宸泰科技有限公司，广东深圳 518000； 2.中广核射阳风力发电有限公司，江苏盐城 224000）

某沿海风电场塔筒运行6年零4个月，其风机组螺栓锈蚀严重，基础混凝土开裂，有渗水的风险，长此下去势必会降低风机的寿命，对风机的安全运行造成威胁。塔筒的螺栓型号为EN14399-4，性能等级为10.9级，产品规格为M36-155和M39-160。42CrNiMo中碳钢经调质处理后，具有较好的耐热性、弹性、强韧性和淬透性，被广泛应用于重要机械零部件的制造中，也成为用于螺栓的钢材。海上作业环境恶劣，为了保证螺栓的耐蚀性能，需要对螺栓进行锌铬膜涂层处理，即达克罗处理。

为避免螺栓表面大面积腐蚀，寻找风机螺栓在海上作业的腐蚀原因，文中对送检螺栓进行了取样、实验分析。通过宏观分析、化学成分分析、金相分析和冲击性能测试、拉伸性能测试、硬度测试等方法对螺栓腐蚀进行了分析。

1 取样螺栓腐蚀形貌

共取25套螺栓副用于实验室检测，其中包括腐蚀较严重的M36-155螺栓副8套，编号依次为M36-1— M36-8；腐蚀较严重的M39-160螺栓副8套，编号依次为M39-1—M39-8；腐蚀较轻的M36-155螺栓副3套，编号依次为M36-9—M36-11；新采购的M36-155螺栓副3套，编号依次为M36-Ⅰ—M36-Ⅲ；新采购的M39-160螺栓副3套，编号依次为M39-Ⅰ—M39-Ⅲ；样品如图1所示。

图1 样品编号 Fig.1 Sample number chart

风机现场取样的高强螺栓宏观腐蚀形貌如图2所示，前期的螺栓、螺母、垫圈上均有涂层，经过现场使用后，螺母表面涂层大面积起皮、脱落，裸露金属受到腐蚀，表现为红褐色和黄色，严重的会出现金属腐蚀疏松，氧化皮层层脱落；垫片同样发生较严重的腐蚀，且垫片边缘的腐蚀程度较中部严重，部分垫圈边缘腐蚀脱落；相比螺母和垫圈，螺栓的螺杆部位腐蚀程度较轻，个别螺栓在靠近上螺母部位的螺纹存在较轻的腐蚀情况。

图2 高强螺栓宏观腐蚀形貌 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 实验结果与分析

2.1 螺栓成分分析

分别在每组样品的螺杆、螺母和垫圈上取样，用全谱直读光谱仪对其化学成分进行分析。检测位置为样品的中间部位，每个样品检测三点并取平均值，以保证成分的准确性，实验结果见表1。检测结果表明，M39螺栓使用后，Mn元素含量稍高于标准值，通过后续性能检测结果来看，稍高的锰含量并未影响其基本力学性能，可能是由于成分偏析、取样等其他外部因素导致的。其余试样使用前后的螺栓、螺母、垫圈材料的成分符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》和GB/T 3098.2—2000《紧固件机械性能螺母、粗牙螺纹》规定，成分合格。

表1 螺栓的化学成分和标准要求 Tab.1 The chemical composition and standard requirements of the bolts %

2.2 拉伸性能试验

在各试样螺栓螺杆的杆部，选取5 mm的纵向圆棒试样3根，在室温下使用万能实验机进行拉伸实验，结果见表2。螺栓的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率都满足GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》规定，螺栓的拉伸性能合格。

表2 螺栓拉伸性能试验结果 Tab.2 Bolt tensile performance test results

2.3 冲击性能试验

从送检的螺栓杆部取10 mm×10 mm×10 mm的V型缺口试样3根，螺栓低温冲击性能试验结果见表3。根据GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》规定，试验温度为−20 ℃。考虑到国内类似风电法兰紧固件螺栓的通行检测标准和使用，本实验选择实验温度为−40 ℃，且合格标准的冲击功不变（≥27 J）。从测试结果来看，M39-4螺栓使用过后的实测冲击韧性较低，但考虑到螺栓的已使用年限以及冲击试验结果具有一定的离散性，并且M39-4螺栓冲击功的平均值大于标准规定值，可以认为螺栓的冲击韧性合格。整体上来说，各螺栓副满足GB/T 3098.1— 2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的要求。

表3 螺栓冲击性能试验结果 Tab.3 Bolt impact performance test results

2.4 硬度试验

取螺栓、螺母、垫圈样品分别进行硬度检验，在每个试样表面随机选取三个点进行硬度测试。螺栓副的硬度试验结果见表4，其中螺栓的洛氏硬度HCR符合标准GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的要求，硬度合格。螺母的维氏硬度HV30较标GB/T 3098.2—2000《紧固件机械性能螺母、粗牙螺纹》偏低。垫圈的洛氏硬度HRC符合GB/T 1231—2006 《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈技术条件》要求。

表4 螺栓副硬度试验结果 Tab.4 Bolt pair hardness test results

2.5 金相组织分析

按照取样方案，分别对使用前后的M36和M39两种规格的螺栓、螺母、垫圈进行微观组织分析。

使用前后，M36和M39螺栓副经研磨抛光后，用硝酸酒精溶液腐蚀，其金相组织如图3—5所示，参照GB/T 13320《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评定金相组织的等级。对比图3 a—c可以得出，未使用螺栓的金相组织为回火索氏体组织，金相组织为1级；对比图3b、3d可以得出，使用后螺栓的金相组织为回火索氏体+铁素体，金相组织评级为3级；对比图4、图5可以看出，使用前后螺母、垫圈的金相组织为回火索氏体+条块状铁素体，金相评级为4级。

图3 螺栓使用前后金相组织 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

图4 螺母使用前后金相组织 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

图5 垫圈使用前后金相组织 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

根据GB/T 13320规定，1～4级金相组织为合格。

2.6 晶粒度检测

试样研磨抛光后，用过饱和苦味酸+酒精+洗涤液腐蚀，M36和M39螺栓使用前后的金相组织如图6所示。根据GB/T 66394—2017《金属平均晶粒度测定方法》对金相组织进行晶粒度评级，使用前M36螺栓的平均晶粒度为7.0～7.5级；使用后M36螺栓的平均晶粒度为7.5～8.0级；使用前M39螺栓的平均晶粒度为7.5～8.0级；使用后M39螺栓的平均晶粒度为8.0级。

图6 螺栓副使用前后金相组织 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 非金属夹杂物分析

螺栓使用前后，纵截面的金相组织如图7、图8所示，可见基体中分布着点状和线状的非金属夹杂物。根据GB/T 10561《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》规定，对使用前后M36和M39螺栓组织中的非金属夹杂物进行评级，发现M39螺栓的夹杂物含量普遍多于M36螺栓的夹杂物含量，具体评级结果下。

图7 M36螺栓使用前金相组织 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

图8 螺栓使用后金相组织 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类（球状氧化物）细系3级；

M39：D类（球状氧化物）细系1.5级，粗系2.5级；DS类（单颗粒球状物）2.5级。

2）使用后螺栓。

M36：D类（球状氧化物）细系3级。

M39：A类（硫化物）细系1.5级；D类（球状氧化物）细系2级；DS类（单颗粒球状物）1.5～2.0级。

2.8 锈蚀产物分析

为了更好地探究螺栓表面影响腐蚀发生的因素，对螺栓截面进行了腐蚀产物分析。如图9所示，铬元素集中分布在腐蚀产物中，有利于形成稳定结构的锈层。该螺栓组应用于海洋环境，空气潮湿且富含大量的氯离子，因此，在锈蚀产物中可以检测到大量的氯元素，氯元素分布在整个基体表面甚至临近的基体内。可以认为，氯离子的出现增加了向基体内部发生大量腐蚀的风险，进而促进了腐蚀的发生，是螺栓副大面积腐蚀的主要原因。在P点处，螺栓截面的氯质量分数为1.88%，铬质量分数为0.19%。

3 综合分析

通过对比分析使用前后螺栓的化学成分、力学性能（抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率）、低温冲击性能、硬度、微观组织（金相、夹杂物、晶粒度）等，可以判定使用后已发生腐蚀的螺栓副是否安全，能否继续满足使用需求。

通过对使用前后螺栓副的化学成分测试结果进行分析，发现使用前M36和M39两种螺栓、螺母、垫圈的成分均符合标准要求；使用后M36的螺栓、螺母、垫圈成分符合标准要求；使用后M39的螺母、垫圈成分符合标准要求，但螺栓中的Mn元素质量分数（0.87%）稍高于标准值（0.5%～0.8%）。锰元素在钢材中的作用主要表现为：可以有效提高材料的强度、淬透性，并通过和夹杂的硫元素结合，减少硫元素对钢材产生的热脆性。但锰含量增加到一定程度后，会促使晶粒长大，降低材料的塑性和韧性，并增加第二类回火脆性的倾向。综合考虑锰元素的优缺点，我国把42CrMo的锰元素含量定在0.5%～0.8%；美国ASTM A193/A193M-15a中把锰元素含量定为0.65%～1.1%，因为锰含量的增加对提高淬透性有积极作用。此外，从力学性能和金相组织的测试结果来看，并没有因为锰元素含量的偏高而出现异常。因此，即使锰元素质量分数为0.87%，超过了我国的标准，但仍在可接受范围内。

使用前后螺栓副的力学性能测试结果表明，使用前后的M36和M39两种螺栓的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率、低温冲击韧性均符合标准要求。硬度试验结果表明，螺栓、垫圈硬度符合标准要求，但螺母硬度较标准值偏低。因为在设计紧固件螺栓副时，螺栓的硬度一般都略高于螺母硬度。大多数情况下，螺栓的加工、更换难度和成本大于螺母，所以适当降低螺母的强度，让损坏尽量发生在螺母部分。如：GB150.2《压力容器第2部分：材料》中规定“调质状态使用的螺母用钢，其回火温度应高于组合使用的螺柱用钢的回火温度”。材料在淬火后回火温度越高，其硬度和强度应越低。因此，本测试结果螺母硬度稍低于标准值对螺栓副的性能影响不大，可以接受。

使用前后螺栓副的金相组织测试结果表明，使用前螺栓的金相组织为1级回火索氏体组织，使用后螺栓的金相组织为3级回火索氏体+铁素体组织；使用前后，螺母、垫圈的金相组织为回火索氏体+条块状铁素体，金相评级为4级[1]。根据GB/T 13320规定：除非供需双方特殊约定，1～4级金相组织为合格。对使用前后M36和M39螺栓组织中的非金属夹杂物进行评级，结果如下：使用前M36螺栓中D类（球状氧化物）夹杂物为细系3级；使用前M39螺栓中D类（球状氧化物）夹杂物为细系1.5级，粗系2.5级，DS类（单颗粒球状物）夹杂物2.5级；使用后M36螺栓中D类（球状氧化物）夹杂物为细系3级；使用后M39螺栓中A类（硫化物）夹杂物为细系1.5级，D类（球状氧化物）夹杂物为细系2级，DS类（单颗粒球状物）夹杂物为1.5-2.0级[2]。通常来说，对于高强度紧固件材料，一般要求球状氧化物夹杂物（D类）控制在2级以内。实际使用的螺栓中，D类球状氧化物夹杂偏高，会影响螺栓基体本身的耐腐蚀性能[3]。通过对螺栓截面锈层的成分分析，认为在海洋环境下，氯离子渗入整个锈层和表层基体，是造成腐蚀发生的原因[4]。

综上分析，虽然使用后的螺母、垫圈和螺栓端部发生了不同程度的腐蚀，但通过相关测试分析发现，尽管螺栓副腐蚀较严重，但各项性能指标合格，不影响使用的安全性[5-6]。

通过分析使用后螺栓副的腐蚀状态，并结合风电的自然环境状况，找出导致腐蚀发生的主要原因。分析如下。

达克罗（dacrotized）又称锌铬膜涂层，将水基锌铬涂料进行刷涂、浸涂或喷涂于零件或构件表面，通过烘烤，在钢铁表面形成鳞片状锌和锌的铬酸盐，形成均匀的无机涂层，以达到防腐耐蚀的效果[7]。达克罗涂层的制作作为一种高新技术和生产工艺，在国际上被誉为是具有划时代意义的表面处理行业新工艺，在国内仍处于起步阶段。达克罗涂层保护基体的原理为：电化学牺牲阳极保护，即将存在两种电极电位差的金属视为阴阳极，形成内部电池。镀锌涂层作为阳极，在反应中逐渐被消耗，进而保护作为阴极的结构金属[7]。达克罗涂层由Zn/Al粉末和铬酸盐复合而成，厚度为200 nm左右，直径小于20 μm，由数十层超细鳞片状结构组成，通过这种片状超细金属粉末的相互重叠来隔绝腐蚀介质，以减少腐蚀的发生[8-9]。

同样，通过电化学方法起到牺牲阳极保护作用的传统镀锌层中，电镀锌作为单层金属锌，腐蚀路线很短。而达克罗涂层重叠叠加的极薄鳞片锌、铝和铬酸盐层，大大提高了腐蚀线路的复杂性[10]。有研究表明，铬酸在腐蚀过程中要对每片鳞片锌进行钝化包裹，因此，同样厚度的达克罗涂层比传统镀锌层的腐蚀路线曲折延长很多[11]。达克罗涂层和电镀锌钝化层的极化曲线如图10所示，相比较电镀锌，达克罗涂层的自然腐蚀电位升高，说明其真实极化曲线高于镀锌层的真实极化曲线[12-13]。曲线越陡，极化度越大，电极过程中受阻滞的程度越大。综上，达克罗涂层的抗腐蚀性能明显大于镀锌钝化膜的抗腐蚀性能[14]。

图10 达克罗涂层与电镀锌钝化涂层的阳极极化曲线 Fig.10 Anode polarization curve of Dacromet coating and electro-galvanized passivation coating

达克罗作为一种新型的表面处理方法，具有如下优点：1）极高的耐腐蚀性能。经达克罗工艺处理的标准件和管接件可在耐盐雾试验中保持1200 h以上，不出现红锈。2）无氢脆性。适合在结构件表面的涂覆[15]。3）高耐热性。耐热温度可达300 ℃以上[16]。4）表面良好的结合性及再涂性能。处理后的零件易于进行喷涂着色，与有机涂层的结合能力甚至超过磷化膜。5）良好的渗透性。

达克罗涂层也有一定的局限性：1）达克罗中含有对环境和人体有害的铬离子，六价铬离子具有致癌作用，不利于环保。2）达克罗的烧结温度高、时间长、能耗大，制作成本高。3）达克罗表面非常容易出现划痕和磕痕，耐磨性较差。4）导电性能不佳，不适合用于导电连接的部件，如接地螺栓等。与此同时，达克罗涂层的产品不适合与铜、镁、镍和不锈钢的零部件接触与连接，因为会产生接触性腐蚀，影响产品的表面质量及防腐性能。因此，达克罗涂层的使用具有局限性[17]。

带有盐分的腐蚀介质在法兰及螺栓上聚集，防腐涂层很容易由于外力（运输、安装、维护等）的作用发生局部破损，腐蚀性介质穿过防腐涂层直接与法兰金属的基体接触，发生电化学腐蚀[18]。此外，法兰处设备结构比较复杂，很容易在法兰、螺母、螺栓、垫圈等位置形成缝隙；在含有溶解氧、带盐分的溶液小环境中，形成良好的缝隙腐蚀条件；腐蚀产物的聚集及局部缝隙内外的环境差异（缝隙内外存在氧浓度差，金属离子水解，溶液酸化，溶液pH值下降等）[19,20]，进一步加快了腐蚀速度，促进了腐蚀的进一步发展。