基于多物理场耦合的Q345钢应力腐蚀行为研究

2024-03-13裴文乐裴兵兵王建梅帅美荣谢壮壮

润滑与密封 2024年2期

裴文乐，裴兵兵，王建梅，帅美荣，谢壮壮

(太原科技大学重型机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，海上风电发展十分迅速，风能作为一种可再生的清洁能源，在可持续发展方面发挥着重要作用[1-2]。塔筒是海上风电机组的主要承载部件，工作时需要长期承受交变载荷作用，同时受风浪载荷的联合作用，受力情况比陆上风机更复杂[3]。海上风电机组和平台的支撑结构主要由钢板制成，在海洋环境条件下极易受到腐蚀。海上风电设备遭受的强腐蚀主要来自于海洋腐蚀环境下海水和盐雾中的氯离子，海水与空气接触面大，对流充分，加快了海上风电设备的腐蚀速率。海上风电机组基础腐蚀导致设备刚度、强度和稳定性下降，降低了使用寿命。因此，在实际应用中，钢表面通过保护涂层、牺牲阳极、外部电流或它们的组合来实现防腐[4-6]。此外，遭受长期腐蚀的钢结构表面缺陷处容易发生电化学腐蚀，由于力学和电化学效应，应力与钢结构表面的电化学腐蚀相互作用易导致应力腐蚀失效[7-10]。XU等[11-14]研究了高强度管线钢在近中性碳酸氢盐溶液中腐蚀缺陷的力学和电化学效应，并用COMSOL软件模拟得出电极电位和腐蚀电流密度，实验验证Gutman模型耦合应力与电化学腐蚀的精确性。SUN和CHENG[15]研究了相邻或周向排列的腐蚀缺陷之间的力学和电化学效应。Q345钢因其良好的综合力学性能、优越的焊接性和低温韧性，常用于海上风电机组的支撑结构。SHOJAI等[4]通过逆向工程建立腐蚀缺陷模型，研究了点腐蚀及应力集中对海上风电支撑结构用钢疲劳寿命的影响。ZHANG等[16]对Q345钢进行中性盐雾试验，基于腐蚀试件进行有限元模拟与实验，结果表明腐蚀对试件的应力分布与疲劳寿命有显著影响。ZHAO等[17]提出了一种预测Q345钢抗拉强度的解析方法，并验证了其有限元模型的准确性。LIAO等[18]建立了随机点蚀钢板屈服强度和极限强度的退化概率模型，结果表明点蚀分布对极限强度的影响大于对屈服强度的影响。李天奇等[19]应用Gutman模型研究了带腐蚀坑抽油杆阳极溶解机制下应力腐蚀，提出了一种新的抽油杆寿命计算方法。腐蚀对材料的影响不仅存在缺陷的形成阶段，也存在缺陷的扩展阶段，但他们的研究主要为稳态问题，没有考虑腐蚀缺陷的生长对应力和腐蚀的影响。

本文作者建立了海洋腐蚀环境下Q345钢的应力腐蚀有限元模型，研究拉伸应变和缺陷深度对其力学和电化学效应的影响规律，包括电极电位、等效应力、阳极电流密度等，弥补了前人关于Q345钢腐蚀缺陷应力集中研究未考虑力学和电化学效应的不足。在给定的工作条件下，研究腐蚀缺陷随时间的生长行为，预测等效应力、腐蚀量随时间的变化规律。

1 应力腐蚀有限元分析

1.1 试验与电极动力学

考虑材料电化学腐蚀计算，须建立钢结构的电极动力学。试验材料选用Q345低合金结构钢，电化学试样尺寸为20 mm×10 mm×3 mm，暴露面积为1 cm2。试样经砂纸打磨后采用金刚石抛光膏对其进行机械抛光，然后使用乙醇溶液、丙酮依次清洗，吹干备用。采用MS-M9000多功能摩蚀试验仪和配套的CS350电化学工作站测量Q345钢的极化曲线，测试采用三电极体系，工作电极为Q345钢，参比电极为Ag/AgCl/KCl，对电极为石墨电极。腐蚀介质为质量分数3.5%NaCl溶液，用于模拟海洋腐蚀环境。发生腐蚀时，主要考虑腐蚀缺陷处的阳极和阴极反应。金属溶解的阳极反应式和阴极的吸氧反应如下：

Fe→Fe2++2e-

(1)

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

图1所示为Q345钢在腐蚀介质中的极化曲线。试验前先进行开路电位测量，待体系稳定后测量动电位极化曲线，扫描速率为0.5 mV/s，扫描范围为相对开路电位(OCP)±250 mV。

图1 Q345钢在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线Fig.1 Potentiodynamic polarization curve of Q345 steel in 3.5%NaCl solution

假设溶液中亚铁离子的浓度为1×10-6mol/L，pH值为8，计算得到阳极反应和阴极反应以Ag/AgCl/KCl为参比电极时的平衡电位[20]。通过极化曲线拟合得到Tafel斜率，极限扩散电流密度作为阴极反应数值模拟约束条件[21]。反推极化曲线得出阳极和阴极反应交换电流密度，数值模拟所需电化学参数见表1。

表1 数值模拟所需电化学参数

电解液中的传质过程遵循质量和电荷守恒，传质过程中需要考虑对流、扩散和电迁移，文中模型假设电解液中离子浓度均匀分布且不随时间变化。

1.2 几何模型与边界条件

文中建立了一个长度为4 m、厚度为36 mm钢板二维模型。在模型周围，创建一个4 m×2 m的模拟电解质计算区域，模拟海洋腐蚀环境。以椭圆性腐蚀坑的形式模拟损伤，腐蚀坑长度为200 mm，已知Q345钢的屈服强度为475 MPa，探究拉伸应变、腐蚀缺陷深度和腐蚀时间对Q345钢力学和电化学效应的影响，具体参数设定见表2。其中拉伸应变取钢板长度方向的0.05%～0.20%，缺陷深度取板厚度方向的20%、30%、60%、70%。Q345钢在腐蚀介质中处于活性溶解状态，腐蚀缺陷表面发生阳极和阴极的反应腐蚀动力学用Tafel描述为

表2 不同变量参数设定

ia=i0，aexp(ηa/ba)

(3)

ic=i0，cexp(ηc/bc)

(4)

η=φ-φeq

(5)

式中：下标a和c分别为阳极和阴极反应；i为电化学反应的电荷转移电流密度；i0为交换电流密度；φ为电极电位；φeq为平衡电极电位；η为活化过电位；b为Tafel斜率。

1.3 弹塑性应变对反应平衡势的影响

Gutman推导了弹性和塑性变形对阳极反应平衡势的影响，得到的公式如下：

(6)

(7)

连续弹塑性拉伸：

(8)

XU和CHENG[11]通过实验、理论推导和有限元模拟，验证了Gutman模型的可靠性，并导出阴极反应的机电化学效应的表达式。YANG等[22]应用式(9)研究了304不锈钢受塑性变形时，不同阴极反应对缝隙腐蚀的影响。

ic=i0，c×10(σMisesVm)/[6F(-bc)]

(9)

式中：i0，c是Q345钢在没有外部应力以及应变的情况下阴极反应的交换电流密度；σMises是根据有限元计算的应力；bc是阴极塔菲尔斜率。

1.4 变形几何的时间相关模型

腐蚀会造成缺陷几何形状的变化，由于有限元模拟中多个物理场的相互作用，缺陷的生长会影响局部的应力集中，进而力学和电化学效应又会加速腐蚀。文中模拟5年内腐蚀缺陷的生长，为了实现这一瞬态过程，在模型中引入变形几何界面概念，实现物体变形对应于材料的添加或去除。为了避免网格畸变，通过ALE自适应网格技术使网格随着缺陷的增长而变化。变形表面的法向速度使用Faraday定律估算如下：

(10)

式中：v是垂直于钢与溶液边界的变形速度；ia是钢的阳极电流密度；M是钢的质量，M=56 g/mol；n是电荷数，n=2；F是法拉第常数，F=96 485 C/mol；ρ是钢的密度，ρ=7.85 g/cm3。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀缺陷处应力集中和溶液中的电位

图2(a)所示为Q345钢在不同拉伸应变下腐蚀缺陷处溶液中腐蚀电势和von Mises应力的分布情况，其中右上方的图例表示von Mises应力，右下方的图例为电势。在0.05%和0.10%的拉伸应变下，缺陷中心处应力未超过屈服强度，发生弹性变形。此时，溶液中的势场非常均匀，缺陷中心应力逐渐增大，腐蚀缺陷处的应力水平均高于两侧。当拉伸应变增加到0.15%和0.20%时发生塑性变形，局部应力进一步增加，在溶液中势场呈明显的非均匀分布，腐蚀缺陷附近出现对称的弧形区域，应力越大，腐蚀电势的负向移动越明显。图2(b)所示为Q345钢在不同深度腐蚀缺陷处溶液中势场和应力的分布。在固定的拉伸应变下，缺陷深度越大，局部产生的应力也越大，腐蚀电势也随之负移。当腐蚀缺陷深度为7.2和10.8 mm时，不影响溶液中的势场；随着腐蚀深度增加到21.6和25.2 mm，缺陷中心的应力集中进一步增大，而缺陷边缘的应力集中减小，溶液中的势场发生明显变化。

图2 溶液中势场和腐蚀缺陷底部的等效应力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 拉伸应变对缺陷处腐蚀相关参数的影响

根据模型的几何对称性和溶液的均匀性，取模型的1/2用于分析。图3所示为Q345钢在21.6 mm腐蚀缺陷深度下不同拉伸应变时的腐蚀相关计算结果。

从图3(a)中可以看出，在不同的拉伸应变下，最高应力均出现在缺陷中心，相对中心点越远，应力值越小。由图3(b)可得，当应变为0.05%和0.10%时，缺陷区域均为弹性变形，对Q345钢缺陷处的电极电位影响较小；当应变为0.15%和0.20%时，局部应力超过屈服强度，在发生塑性变形的区域电极电位大幅负移。从图3(c)可以看出，在没有拉伸应变的情况下，阳极电流密度沿着缺陷底部恒定在0.109 A/m2。当拉伸应变导致局部产生塑性变形时，缺陷中心的阳极电流密度显著增加，其中应变为0.15%时增加到0.287 A/m2，应变为0.20%时增加到0.315 A/m2，而缺陷侧的电流密度略有下降，缺陷中心较大的电流密度将促进阳极的溶解反应。随着拉伸应变的增加，应力与阳极电流密度越大，缺陷处的腐蚀速率越快，应力呈现先快后慢的增长趋势。由图3(d)可以看出，在不同拉伸应变下，缺陷中心处阴极电流密度负移最大，离中心点距离越远，阴极电流密度值越小。

图3 不同拉伸应变下Q345钢应力腐蚀计算结果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 缺陷深度对缺陷处腐蚀相关参数的影响

图4所示为Q345钢在0.15%拉伸应变下不同缺陷深度的腐蚀相关计算结果。可以看出，在固定的应变下，随着缺陷深度的增加，缺陷中心的应力也对应增加，中心处的应力集中更加明显；当应力超过屈服强度时，相对中心点距离较远处的应力明显减小。当缺陷深度为7.2和14.4 mm 时，缺陷处应力呈线性分布，由于应力并未超过屈服强度，电极电位、阳极电流密度和阴极电流密度的值变化较小。此时，电极电位分布均匀，即腐蚀缺陷的存在不会影响整个缺陷的电极电位。随着深度增加到21.6和25.2 mm，缺陷中心发生塑性变形，加快局部阳极溶解反应，中心应力、阳极电流密度的计算结果最大值均出现在中心处。腐蚀深度的增加导致缺陷中心电极电位、阴极电流密度的负增长，随着相对中心点距离的增加，阴极电流密度逐渐减小。

图4 不同缺陷深度下Q345钢应力腐蚀计算结果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 缺陷处应力和腐蚀量随时间的分布

由于塑性变形导致的力学和电化学效应会显著加快局部阳极的溶解反应，因此需要考虑缺陷生长对应力腐蚀行为的影响。图5所示为0.15%拉伸应变下，缺陷深度为21.6 mm时在力学和电化学效应作用下0～5年的应力分布。图6所示为0～5年缺陷中心应力变化与不同缺陷深度处5年腐蚀量的计算结果，可见力学和电化学效应影响了缺陷处的von Mises应力，改变了缺陷处的壁厚。从图6(a)中可以看出，不同深度缺陷中心应力随着时间均呈现上升趋势，当深度增加到21.6和25.2 mm时，应力上升速率变快。图6(b)所示为固定拉伸应变下，5年间不同深度缺陷中心处的壁厚减少量。可以看出，当应力小于475 MPa发生弹性变形时，无论缺陷深度的大小，腐蚀量几乎不改变，腐蚀壁厚减少在5%以下；当应力超出Q345钢的屈服强度发生塑性变形时，腐蚀壁厚减少达到了11%以上，缺陷的几何变化影响缺陷的局部应力集中和腐蚀速率。