分享：腐蚀疲劳试验系统的开发及应用

邢承亮,孙晓冉,安治国,赵中昱,宋 月,孙江欢,白丽娟 

(河钢集团钢研总院 理化检测中心,石家庄 050000) 

摘 要:海洋工程用钢服役时一直受到环境腐蚀和疲劳载荷的耦合作用,而传统的腐蚀、疲劳单 项评估已不能满足检测需求,因此开发了一套腐蚀疲劳试验系统来测试材料在腐蚀环境下的疲劳 寿命,并使用该系统对海洋工程用S690QL高强钢板在腐蚀环境下的疲劳寿命进行了测试。结果 表明:该系统可以对试验温度、流速、腐蚀介质pH 值等参数精准控制,并可以实现材料在腐蚀与疲 劳耦合作用下的性能评估。在相同的循环应力下,材料受到模拟海水腐蚀和疲劳载荷耦合作用的 疲劳寿命大大低于在空气中室温下的疲劳寿命。

关键词:腐蚀疲劳试验系统;耦合作用;环境腐蚀;疲劳载荷;疲劳寿命 中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)04-0039-04

我国海洋油气资源储量巨大但探明率远低于世 界平均水平,主要原因是海洋装备材料研发及应用的 落后[1]。近年来,随着我国海洋工业的不断发展,尤 其是在国家发展海洋战略的背景下,海洋平台建设迎 来了新的高速发展时期。国内钢厂充分利用机遇,进 行了海洋工程用钢的研发、认证及生产应用[2]。海洋 平台装备得到了不断发展,这也使得装备服役环境由 沿海向岛礁甚至深海进一步拓展,“高温、高湿、高盐 雾、强太阳辐射”的“三高一强”严酷海洋环境对装备 的材料及结构造成了严重的腐蚀和破坏[3-5]。与此同 时,装备自身会受到海浪、海啸、强风暴、海底地震等 自然灾害带来的疲劳载荷作用,这种环境腐蚀与疲劳 载荷的耦合作用会造成装备主承力结构提前被破坏 甚至断裂[6-8],严重影响了装备的可靠安全服役[9-11]。 因此,研发一套腐蚀环境系统与疲劳试验机结合的装 置来测试材料在腐蚀环境与疲劳载荷耦合作用下的 腐蚀疲劳寿命显得极为重要。为此,笔者研发了一套 上述试验装置,可根据需求对腐蚀介质的pH、温度、 流速及疲劳载荷波形、加载频率、受力状态等试验条 件进行个性化设计,且该装置能有效评估材料在环境 腐蚀与疲劳载荷耦合作用下的性能变化。 

1 腐蚀疲劳试验系统的设计

1.1 腐蚀容池 

腐蚀容池材料采用耐腐蚀性好、力学性能高、透明且价格较低的高分子材料制造,透明性好以便于 仔细观察整个试验过程。将腐蚀容池加工成外径 70cm,内径50cm,高65cm 的圆桶形状。容池底 部为固定封闭底座,底座中心加工一个直径20cm 的圆孔,此孔下端有一个高30cm,直径35cm 的螺 旋橡胶塞固定端。容池顶部为活动式上盖,在中心 加工一个直径20cm 的圆孔。在距容池上下两端 10cm 处各开一个直径8cm 的圆孔,下端圆孔为进 液口、上端圆孔为出液口,以保证容池中腐蚀介质的 有效高度。腐蚀容池及试样安装截面图如图1所示。

1.2 温度控制单元

温度控制单元主要由加热循环泵、加热腔、控制 仪表、测温传感器组成。加热循环泵将腐蚀介质槽 中的介质运输到加热腔中,加热腔另外一端与介质 槽连通以实现介质的循环加热。将测温传感器放置 在容池中,测试试验时腐蚀介质的实际温度,当测温 传感器反馈温度达到设定的温度时,控制仪表发出 信号,断开加热腔体的供电,停止加热,相反未达到 设定温度时处于通电加热状态。

1.3 腐蚀介质pH 测试单元

腐蚀介质 质的化学反应, p 所 H 以 的 精 实 准 时 地 状 检 态 测 严重影响着试样与介 试探头放置在腐蚀介质中,利用 p 化 H 学 非 电 常 位 重 差 要 原 。 理 将 , 测 实 时显示介质的pH,根据试验要求完成pH 的调整。

1.4 腐蚀介质循环单元 

腐蚀介质循环单元在蠕动泵的工作下将配比好 的腐蚀介质通过腐蚀容池进液口输送到容池中,当 腐蚀介质液面到达出液口时会沿出液口流回到腐蚀 槽中完 成 循 环。该 蠕 动 泵 具 有 调 节 流 速、流 向 的 作用。

1.5 整套腐蚀疲劳试验系统的工作原理

疲劳试验机与上述腐蚀系统共同组成腐蚀疲劳 试验系统。将经过在疲劳试验机上进行疲劳试验后 的试样一端穿过橡胶塞从腐蚀容池的下端放入,旋转橡胶塞固定端,完成试样与腐蚀容池的连接,在容 池底部涂抹有机胶防止介质渗出。再根据实际环境 介质的成分配比腐蚀介质,将该腐蚀介质存放于介 质槽中。启动pH 测试单元、加热控制单元、循环单 元即完成整套腐蚀系统的有效配合。腐蚀系统如图 2所示。 

2 试验材料与试验方法 

2.1 试验材料 

海洋工程用S690QL高强钢板的服役条件非常 恶劣,一直处于海水腐蚀和海浪、海风等引起的交变 载荷的耦合作用中,具有代表意义,所以选该材料进 行腐蚀疲劳性能的研究。S690QL 高强钢板的化学 成分见表1,力学性能见表2

2.2 腐蚀疲劳试样 

根据腐蚀容池的尺寸设计了腐蚀试样,如图3 所示。试样长夹持端与腐蚀容池的下端相连接,夹 持在疲劳试验机的下夹具上。试样表面质量严重影 响着试样循环寿命,所以要对机加工后的试样进行

2.3 腐蚀介质成分设计

根据海洋工程用S690QL高强钢板的服役环境 条件,模拟配比人工海水,设计腐蚀介质的成分及含 量见表3。该腐蚀介质的pH 为8.3,接近真实海水 的pH。

2.4 试验方法

2.4.1 试验设备

疲劳试验采用 MTS250kN 型疲劳试验机,该 设备力值控制精度高、频率精准可调,具有闭环反馈 控制系统、多种控制波形,且其夹具规格齐全、噪声 小。腐蚀试验采用前述腐蚀系统。

2.4.2 试验分组

将S690QL高强钢板按照图3要求加工8根试 样,第一组4根用于空气中室温疲劳试验,编号为 1~4;第二组4根用于模拟海水腐蚀疲劳试验,编号为5~8,两组试验除所处的环境介质不同外其他条 件均相同。

2.4.3 试验参数 两组试验采用正弦波形控制模式,应力台阶为 5%,试验频率为20 Hz,应力比为0.1,应力从材料 屈服强度60%的应力开始,具体参数见表4。 

3 试验结果与分析

S690QL高强钢板在应力比为0.1及4种不同 应力条件下分别进行了空气中的室温疲劳试验和模 拟海水中的腐蚀疲劳试验,结果如图4所示。可见 在相同试验条件下,S690QL 高强钢板的疲劳寿命 随着循环应力的增加而不断减小,在相同循环应力 条件下空气中的室温疲劳寿命远远高于模拟海水中 的腐蚀疲劳寿命[12-15]。 空气中的室温疲劳断口和模拟海水中的腐蚀疲 劳断口形貌如图5所示,可见空气中和模拟海水中 的腐蚀疲劳断口都比较平直,均为脆性断口[16]。空 气中室温腐蚀疲劳典型断口可见解理台阶、二次裂 纹和疲劳辉纹,在疲劳辉纹间存在细小的二次裂纹, 断口为解理断口,疲劳裂纹扩展主要为穿晶断裂机 制。在空气中裂纹萌生寿命约占总寿命的90%,裂 纹扩展占总寿命的10%。模拟海水中腐蚀疲劳断 口形貌可见由腐蚀介质造成的点蚀,点蚀周围分布 着二次裂纹,部分晶粒为解理断裂、部分晶粒为沿晶 断裂,因此模拟海水中的腐蚀疲劳裂纹扩展为混合 断裂机制[17]。点蚀处的应力集中加速了裂纹萌生, 裂纹萌生寿命约占总寿命的10%;其还加快了裂纹 扩展速度,裂纹扩展占总寿命的90%,使材料的断 口脆性增加[18-20]。 图5 不同条件下疲劳试样断口的微观形貌

 4 结论 

(1)该套腐蚀系统具有控温准确、pH 检测实 时、流速可控、容池和试样连接密闭性好、安全、结构 简单等优点,完全可以满足腐蚀疲劳试验的要求。 (2)随着循环应力的增加,S690QL 高强钢板 的疲劳寿命明显降低。在相同的循环应力下,材料 受海水腐蚀-疲劳载荷耦合作用的疲劳寿命大大低 于在空气中室温下的疲劳寿命。 (3)模拟海水与试样表面发生了应力腐蚀,在 点蚀处造成的应力集中大大增加了裂纹的扩展速 度,从而明显降低了试样的疲劳寿命。

来源：材料与测试网